一种游离dna(cfdna)甲基化突变的检测方法及试剂盒
技术领域
1.本发明属于癌症早期筛查技术领域，尤其涉及一种新型cfdna甲基化突变的检测方法及试剂盒。


背景技术：

2.恶性肿瘤，俗称癌症。由于机体细胞失去正常调控，过度增殖而失去正常调控，过度增殖而引起的疾病。癌细胞可发生发展于体内大多数器官和组织中，可侵犯周围组织，甚至可经体内循环/淋巴系统转移到身体其他部分。据统计，癌症是全球第二大死亡原因，2018年约有1800万新发病例以及960万死亡病例。到2030年，预计全年将有2600万新发病例以及1700万死亡病例，对人类生命健康具有严重威胁。晚期癌症通常缺乏有效的治疗方法，但癌症若在早期发现，生存率将显著提高，五年生存约为91％，尽可能的在最早阶段发现肿瘤是治疗关键。近年来，在癌症早期诊断研究中，cfdna已成为一种有前景的肿瘤生物标志物，具有巨大的早期诊断潜力。
3.癌症的发生、发展和转移机制的研究基于不同的平台，涉及基因组、转录组、蛋白质组、代谢组和表观基因组。最近，表观基因组在正常细胞和癌细胞中的作用得到了证实，并取得了快速进展，表观基因组主要由dna甲基化和染色质配置调控，通过改变核小体结构及其定位来调节基因表达。在正常人类细胞中，核小体保持开放构象，启动子区域没有dna甲基化位点，而在肿瘤中核小体间距相对封闭。研究表明，dna甲基化突变已被定义为癌症发生发展的关键事件。dna甲基化发生于cpg位点，通过dna甲基化转移酶(dnmts)的作用，在胞嘧啶碱基的5’碳位置添加一个甲基形成5-甲基胞嘧啶。dna甲基化模式在癌症中频发，包括反转录因子、着丝粒和癌基因的dna低甲基化事件等。5mc改变具有区分癌细胞和正常细胞的能力，其表观遗传谱可作为多种肿瘤标志物，用于早期诊断检测、预后监测，成为基因检测研究热点。
4.传统的dna甲基化检测普遍采用重亚硫酸盐处理后进行高通量测序法，该方法由于cfdna数量有限，并且重亚硫酸盐可导致约84％的dna降解损失，cpgs全基因组丰度低，信息回收率有限，导致其检测灵敏度受限，结果可靠度低，检测所需成本高。


技术实现要素：

5.为解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种基于免疫沉淀的cfdna甲基化突变的检测方法以及检测试剂盒，本发明的检测方法灵敏、可靠、无重亚硫酸盐处理即可进行早期癌症筛查。
6.本发明目的是通过以下方式实现：
7.本发明提供一种cfdna甲基化突变的检测方法，主要包括以下步骤：
8.(1)提取全血游离dna，经过末端修复、末端加“a”、连接illumina测序平台专用index测序接头，构建cfdna基因文库；
9.(2)将步骤(1)构建的cfdna基因文库与提前构建好的filler dna混合，获得cfdna
基因文库与filler dna混合物，保证起始投入量达到100ng以上；
10.(3)将5-甲基胞嘧啶抗体(5-mc抗体)与步骤(2)得到的cfdna基因文库与filler dna混合物进行免疫共沉淀反应，对混合物中的高dna甲基化片段进行甲基化捕获，然后经纯化、洗脱得到捕获后产物片段；
11.(4)对步骤(3)所得的产物片段进行扩增富集，然后利用ampure xp磁珠对扩增产物进行纯化回收并筛选，得到最终上机文库；
12.(5)使用illumina测序平台进行测序，通过生物信息学对得到实验数据进行分析，获得cfdna甲基化突变情况。
13.进一步地，步骤(1)中所述的游离dna通过circulating nucleic acid kit试剂盒提取获得。
14.进一步地，步骤(1)中所述的末端修复、末端加“a”通过end repair&a-tailing enzyme mix反应体系完成。
15.进一步地，步骤(2)中所述的filler dna未添加测序接头，目的仅为扩大cfdna测序投入起始量。
16.进一步地，步骤(2)中所述的filler dna为6个不同大小、不同cpg密度(1cpg、5cpg、10cpg、15cpg、20lcpg和20scpg)的pcr扩增子组成，5个不同cpg含量的片段(1cpg、5cpg、10cpg、15cpg、20lcpg片段)被甲基化，1个片段(20scpg片段)未被甲基化。
17.进一步地，步骤(2)中所述的filler dna以λdna为模板进行pcr反应，纯化回收，对所得的pcr片段进行甲基化，纯化回收后获得。
18.进一步地，步骤(2)中所述的filler dna由50％(wt/wt)甲基化片段(1cpg,5cpg,10cpg,15cpg和20cpgl片段)和50％(wt/wt)未甲基化片段(20cpgs pcr扩增)组成。
19.进一步地，步骤(3)中所述的甲基化捕获通过diagenode magmedip kit及diagenode ipure kit v2试剂盒完成。
20.进一步地，步骤(4)中所述的扩增富集通过lm-pcr进行。
21.进一步地，步骤(5)中所述的illumina测序平台包括illmina nextseq 500、illumina hiseq2000、illumina hiseq2500和illumina miseq。
22.本发明一方面提供一种用于上述的cfdna甲基化突变的检测方法的试剂盒，所述的试剂盒包括以下成分：高通量测序文库构建组分、filler dna片段、免疫共沉淀反应、甲基化捕获及纯化回收组分和文库富集组分。
23.进一步地，所述的高通量测序文库构建组分主要包括高通量文库构建中常用的末端修复、加“a”及连接接头所需要的酶及illumina测序平台专用测序接头。
24.进一步地，所述的filler dna片段为6个不同大小、不同cpg密度(1cpg、5cpg、10cpg、15cpg、20lcpg和20scpg)的pcr扩增子组成，5个不同cpg含量的片段(1cpg、5cpg、10cpg、15cpg、20lcpg片段)被甲基化，1个片段(20scpg片段)未被甲基化。
25.进一步地，所述的filler dna片段以λdna为模板进行pcr反应，纯化回收，对所得的pcr片段进行甲基化，纯化回收后获得。
26.进一步地，所述的pcr反应所需的引物的核苷酸序列如seq id no：1-12所示。
27.进一步地，所述的免疫共沉淀反应、甲基化捕获及纯化回收组分主要包括免疫沉淀反应所需的缓冲液试剂、抗体蛋白和甲基化捕获用的磁珠以及用于纯化回收所需要的试
剂和洗脱buffer。
28.进一步地，所述的文库富集组分主要包括文库扩增所需要的酶及buffer，以及产物回收纯化、片段筛选所需要的磁珠。
29.本发明还提供上述试剂盒在泛癌种早筛中的应用。
30.本发明的有益效果：
31.本发明提供的cfdna甲基化突变的检测方法避免了重亚硫酸盐处理对dna造成的降解损失，该发明不同于传统甲基化测序法，不依赖于重亚硫酸盐，核心为甲基化免疫沉淀法，使用5-mc甲基化抗体特异性抓取dna甲基化区域片段，使样本中所有的甲基化变异dna均沉淀富集。得到的样本均为筛选后基因组中含有甲基化的dna部分，使反应特异性可达到99％，检测灵敏度高，实验成本降低，同时大大降低了传统检测出现的假阳性率，使结果更加可靠。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例涉及的附图进行简单地介绍。
33.图1为本发明的cfdna甲基化突变的检测方法实验流程图；
34.图2样本s1-1dmrs测序深度统计图；
35.图3样本s1-2 dmrs测序深度统计图。
具体实施方案
36.下面将结合实例对本发明的实施方案进行详细的描述，但是本领域技术人员将会理解。在本发明各实施方案中，为了使读者更好地理解本技术而提出了许多技术细节。但是即使没有这些技术细节，也可以实现本技术各权利要求保护的技术方案。
37.以下实例所使用的设备和试剂如下：外周血循环dna基因组(cfdna)提取试剂盒(德国qiagen公司)，核酸扩增仪abi2720，medip试剂盒(比利时diagenode公司)，文库制备试剂盒(美国kapa biosystems公司)，测序平台illumina nextseq 500。
38.实施例1：filler dna混合物的制备
39.filler dna可提前根据实验规模批量构建，置于-20℃保存。filler dna不添加测序接头，并未被纳入文库，目的仅为扩大cfdna测序投入起始量，因此对后续测序结果无影响，具体操作过程如下。
40.1.设计filler dna构建所需的引物
41.为解决cfdna数量有限，cfdna甲基化突变率低，本发明通过构建filler dna/文库混合物，大幅度提高cfdna测序起始投入量，使投入量达到100ng。filler dna为6个不同大小、不同cpg密度(1cpg、5cpg、10cpg、15cpg、20lcpg和20scpg)的pcr扩增子组成。它们由肠杆菌噬菌体(λ-dna)片段组成，由pcr产生，然后在体外甲基化(在适当位点)。5个cpg含量不同的片段被甲基化，1个片段未甲基化，它们与哺乳动物基因组没有共同的同源性，filler dna构建所需引物如表1所示。
42.表1.filler dna构建所需的引物列表
[0043][0044]
2.filler dna的构建
[0045]
filler dna片段制备以λdna为模板进行pcr反应，反应体系如表2所示：
[0046]
表2.filler dna的构建反应体系
[0047][0048]
forward primer与reverse primer为表1中提供的1cpg、5cpg、10cpg、15cpg、20cpgl、20cpgs引物，对上述6对引物分别单独进行pcr扩增，反应体系配制好后混匀离心，置于pcr仪上按照如下反应条件进行pcr反应：热盖温度105℃，98℃,30s；98℃,10s，57℃,10s，72℃,15s，共30个循环；72℃5min，4℃ever。
[0049]
pcr反应后使用天根dna产物纯化回收试剂盒进行pcr产物纯化回收，30μl超纯水洗脱。qseq验证片段大小及qubit定量，得到选定的pcr片段。
[0050]
3.对选定的pcr片段进行甲基化
[0051]
使用上步扩增得到的pcr片段1cpg,5cpg,10cpg,15cpg和20cpgl，分别对每个片段进行甲基化，反应体系如表3所示：
[0052]
表3.pcr片段甲基化的反应体系
[0053][0054]
置于pcr仪中进行如下程序：37℃ 15min，65℃ 20min。
[0055]
反应后使用天根dna产物纯化回收试剂盒进行产物纯化回收，30μl纯水洗脱，qubit定量。
[0056]
filler dna最终将由50％(wt/wt)甲基化片段(1cpg,5cpg,10cpg,15cpg和20cpgl片段)和50％(wt/wt)未甲基化片段(20cpgs pcr扩增)组成。将各片段产物按照表4所示比例混合得到filler dna混合物。
[0057]
表4.filler dna混合物的组成
[0058][0059]
实施例2:两例肺癌患者血浆游离dna(cfdna)样本的甲基化突变检测
[0060]
我们与医院合作，采取了2例癌症患者的血浆样本，运用本技术提供的方法对患者血浆样本游离dna(cfdna)进行甲基化突变检测，以说明本专利的可行性与实用性。具体操作流程如下：
[0061]
1.样品采取以及运送保存
[0062]
本发明样本采集选取人全血，采集2例癌症患者(编号为s1-1,s1-2)的3ml静脉血于装有edta/枸橼酸葡萄糖抗凝剂的收集管中。样本在常温环境中运输尽快送达实验室，在2-8℃条件下保存不超过3天，-20℃保存不超过1个月，需长期保存的样本放置于-80℃条件下。从样品采集之日起尽快完成基因组dna的提取。
[0063]
2.提取血游离dna(cfdna)
[0064]
分别提取了编号为s1-1,s1-2两名患者的血浆游离dna(cfdna)样本。提取后的样品于qubit3.0进行浓度定量，可暂放置于-20℃冰箱冷冻保存。
[0065]
血浆游离dna的提取方法参照qiagen公司的circulating nucleic acid kit试剂盒，操作步骤如下所示：
[0066]
1)用移液器将1ml的血浆样本加入一个干净的50ml离心管中，做好标记，加入200μl的proteinase k与0.8ml的acl，点振涡流30s，在60℃水浴孵育30min；
[0067]
2)加入1.8ml的acb buffer(确认已加入异丙醇)，点振涡流30s，冰上孵育5min；
[0068]
3)将小的20ml扩张器插入mini柱上，将mini柱插入真空器上待用，将步骤2)中所得溶液倒入扩张器中后打开真空泵(真空压在-200～-800mpa)液体抽干后关闭真空泵，做好标记；
[0069]
4)加入600μl的acw1(确认加入无水乙醇)到扩张器中开真空泵(真空压在-200～-800mpa)液体抽干后关闭真空泵；
[0070]
5)加750μl的acw2(确认加入无水乙醇)到扩张器中开真空泵(真空压在-200～-800mpa)液体抽干后关闭真空泵；
[0071]
6)加750μl的无水乙醇(96％～100％)到扩张器中开真空泵(真空压在-200～-800mpa)液体抽干后关闭真空泵；
[0072]
7)弃扩张器，留mini柱放到2ml离心管中，14000rpm离心3min；
[0073]
8)放入56℃金属浴干燥10min(开盖)；
[0074]
9)将mini柱放到新的1.5ml离心管中，加入55μl的水室温放置5min；注：洗脱缓冲液ave平衡至室温(15-25℃)且必须分配到膜的中心；
[0075]
10)在14000rpm离心1min洗脱cfdna。
[0076]
3.文库制备
[0077]
将血浆游离dna样本进行文库构建实验，经过末端修复、加“a”及连接等过程，将2组dna片段连上不同的index测序接头(相关试剂来自kapa hyper prep kit illumina platforms)。具体程序在文库制备试剂盒协议基础上进行轻微改动，步骤如下：
[0078]
1)末端修复及3’端加a，反应体系如表5所示：
[0079]
表5.末端修复及3’端加a的反应体系
[0080][0081]
使用移液器吸打混匀(避免剧烈震荡混匀)，短暂离心；
[0082]
反应条件：热盖温度85℃，20℃30min；65℃30min；4℃ever。
[0083]
2)连接接头
[0084]
将上述反应的pcr管中，按如表6在冰盒上配制反应体系：
[0085]
表6.连接接头的反应体系
[0086][0087]
使用移液器吸打混匀(避免剧烈震荡混匀)，短暂离心；
[0088]
反应条件：关闭热盖，20℃15min；4℃ever。
[0089]
3)连接后纯化：
[0090]
①
pcr反应结束后向样品中加入88μl agencourt ampure xp磁珠，用移液器吸打混匀；
[0091]
②
室温孵育5min后，将pcr管置于磁力架上3min待溶液澄清；
[0092]
③
保持pcr管在磁力架上，移除上清，向pcr管中加入200μl 80％乙醇溶液，静置30s；
[0093]
④
保持pcr管在磁力架上，移除上清，向pcr管中加入200μl 80％乙醇溶液，静置30s后彻底移除上清；
[0094]
⑤
室温孵育5min，使残留的乙醇彻底挥发；
[0095]
⑥
加入42μl nuclease-free water，将pcr管从磁力架取下，吸打混匀；
[0096]
⑦
室温静置2min后，将pcr管置于磁力架上2min待溶液澄清；
[0097]
⑧
吸取40μl上清液转移到新的pcr管中，标记样品信息，得到连接后的文库产物。
[0098]
4.甲基化捕获
[0099]
甲基化捕获实验所需试剂均来自于试剂盒diagenode magmedip kit及diagenode ipure kit v2，具体步骤如下：
[0100]
(1)试剂准备
[0101]
1)稀释5
×
mag buffer到工作液浓度，按照下表比例稀释：
[0102]
表7. 5
×
mag buffer的稀释比例
[0103][0104]
2)取11μl magnetic beads到新的ep管中，将ep管置于磁力架上，待澄清后吸去上清。
[0105]
3)用27.5μl冰浴的1
×
mag buffer清洗magnetic beads两次。后用22μl1
×
mag buffer重悬magnetic beads后转移至新的ep管中放置冰上备用。
[0106]
4)按照下表制备试剂mag master mix备用：
[0107]
表8.mag master mix的配制比例
[0108][0109]
5)将5-mc抗体试剂对半稀释后按照下表比例进行配制成抗体反应液备用：
[0110]
表9.抗体反应液配制比例
[0111][0112][0113]
(2)免疫沉淀反应
[0114]
1)将准备好的cfdna文库与filler dna混合物按照比例混合后与上步骤准备好的mag master mix按下表比例混合在0.2ml pcr管中，震荡混匀。
[0115]
表10.cfdna文库与filler dna混合比例
[0116][0117]
将混合好的pcr管置于pcr仪上，95℃变性3min，后立即置于冰上，取75μl混合物到新的pcr管中。
[0118]
2)将准备好的5μl抗体反应液加入到pcr反应管中。
[0119]
3)将准备好的20μl magnetic beads组分加入到pcr反应管中，混匀后，4℃震荡孵育过夜。
[0120]
(3)甲基化dna片段纯化回收
[0121]
1)按照下表配制elution buffer(buffera使用前需室温放置30min)：
[0122]
表11.elution buffer的配制
[0123][0124]
2)加入50μl elution buffer到上步免疫沉淀反应pcr管中，混匀后室温震荡孵育15min。
[0125]
3)将pcr反应管置于磁力架上1min，将上清转移至新的ep管中。
[0126]
4)再向原pcr反应管中加入50μl elution buffer混匀磁珠后室温震荡孵育15min。将pcr反应管置于磁力架上1min，将上清转移至ep管中。
[0127]
5)向ep管中加入2μl carrier，短暂涡旋并瞬时离心。
[0128]
6)向ep管中加入100μl异丙醇，短暂涡旋并瞬时离心。
[0129]
7)向ep管中加入10μl magnetic beads，混匀后室温震荡孵育10min。
[0130]
8)将ep管置于磁力架上1min，吸弃上清，向管中加入25μl buffer c，颠倒混匀重悬磁珠后室温震荡孵育15min。
[0131]
9)将ep管置于磁力架上1min，吸取25μl上清到新的ep管中，得到甲基化捕获后的dna片段，用于下游实验。
[0132]
5.甲基化捕获后文库扩增富集、纯化及筛选
[0133]
利用上步甲基化捕获后得到的cfdna文库片段，进入样本的lm-pcr富集操作。lm-pcr反应体系如以下表所示：
[0134]
表12.lm-pcr反应体系
[0135][0136]
pcr反应条件为：98℃预变性45s；98℃变性15s，60℃退火30s，72℃延伸30s，共14个循环；72℃延伸1min；4℃保温。
[0137]
pcr反应后，利用纯化磁珠ampure beads纯化pcr扩增产物并进行片段筛选，得到样本文库，质检后用于测序分析。具体步骤如下：
[0138]
①
将agencourt ampure xp磁珠从4℃冰箱取出平衡至室温，涡旋震荡混匀后使用；向上步骤pcr产物中加入50μl磁珠，吸打混匀，室温静置5min后，将pcr管置于磁力架上3min，待溶液澄清；
[0139]
②
保持pcr管置于磁力架上，移除上清，向pcr管内加入200μl 80％乙醇溶液，静置30s；
[0140]
③
保持pcr管置于磁力架上，移除上清，再次向pcr管内加入200μl 80％乙醇溶液，
静置30s后彻底移除上清；
[0141]
④
室温静置3-5min，使残留乙醇彻底挥发；
[0142]
⑤
加入32μl的nuclease-free water，将pcr管从磁力架取下，吸打混匀，静置2min；
[0143]
⑥
将pcr管置于磁力架上2min待溶液澄清，吸取30μl上清液，转移到新的pcr管中，做好标记；
[0144]
⑦
向pcr管中加入15μl磁珠，吸打混匀，室温静置5min后，将pcr管置于磁力架上3min，待溶液澄清；
[0145]
⑧
保持pcr管置于磁力架上，吸取上清到新的pcr管中，向管中加入12μl磁珠，吸打混匀，室温静置5min后，将pcr管置于磁力架上3min，待溶液澄清；
[0146]
⑨
保持pcr管置于磁力架上，移除上清，向pcr管内加入200μl 80％乙醇溶液，静置30s；
[0147]
⑩
保持pcr管置于磁力架上，移除上清，再次向pcr管内加入200μl 80％乙醇溶液，静置30s后彻底移除上清；
[0148]
室温静置3-5min，使残留乙醇彻底挥发；
[0149]
加入32μl的nuclease-free water，将pcr管从磁力架取下，吸打混匀，静置2min；
[0150]
将pcr管置于磁力架上2min待溶液澄清，吸取30μl上清液，转移到新的pcr管中，做好标记；
[0151]
经qubit定量和qseq片段质检后进行后续测序实验，或将文库置于-20℃冰箱中保存。
[0152]
6.高通量测序及结果分析
[0153]
经过上述方法构建出了甲基化捕获后的样本测序文库，利用illumina测序平台的pair-end测序技术，如illmina nextseq 500、illumina hiseq2000、illumina hiseq2500和illumina miseq进行测序，获得dna混合物的序列，每个样本至少需30mreads。
[0154]
分析流程从fastqc分析原始读取的基本qc开始，然后使用trim galore修剪adaptor污染。使用bwa-mem或bowtie 2将修剪后的数据与参考基因组进行比对，使用samtools将得到的sam文件转换为bam文件格式。后利用生信分析对人基因组上14716个高甲基化区域(dmrs)进行测序深度统计分析，生成dmr分析数据及样本甲基化程度评分，根据建立的数据模型评判样本甲基化突变程度。对2例cfdna样本的结果分析如下：
[0155]
表13.样本测序后分析结果
[0156][0157]
利用本发明提供的甲基化突变的检测方法能更好地保存样本本身甲基化突变状态，因此检测结果更为准确可靠，减少检测过程中样本dna的降解损失，可大幅提高检测灵敏度和特异性。根据表13分析结果可以看出，2例临床样本的检测结果可靠，测序数据质量
较好，本发明提供的检测方法准确有效。图2、3展示了2例样本14716个甲基化区域深度情况，根据生信分析方法及肿瘤早筛大数据模型评判2例临床样本为高风险结果，与临床信息吻合。
[0158]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。