基于NGS的分子診斷

分子診斷是應(yīng)用分子生物學(xué)方法，通過檢測受檢個體或其攜帶病毒、病原體的遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或含量變化而做出診斷的技術(shù)，而基于下一代測序（Next Generation Sequencing，NGS）的分子診斷被廣泛應(yīng)用于傳染性疾病、血液篩查、遺傳性疾病、腫瘤伴隨診斷等領(lǐng)域。相比于免疫診斷技術(shù)，NGS在發(fā)現(xiàn)未知基因、液體活檢方面具有優(yōu)勢，但目前存在明顯局限性，如對基礎(chǔ)設(shè)施要求高、結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性存在問題等。

1. NGS概述

自Sanger測序后，NGS技術(shù)顯著發(fā)展，可提供更高的數(shù)據(jù)輸出、效率和應(yīng)用。將DNA（或cDNA）隨機片段化、加接頭，制備測序文庫，通過對文庫中數(shù)以萬計的克隆進行延伸反應(yīng)，檢測對應(yīng)的信號，最終獲取序列信息。NGS在處理大規(guī)模樣品時具有顯著的優(yōu)勢，成為目前組學(xué)研究的主要技術(shù)。

Fig.1 NGS基本流程

1.1 文庫制備

NGS的先決條件是高質(zhì)量的文庫。文庫制備首先需獲得與測序所需分子相對應(yīng)的模板，然后制備片段使其與所使用的測序平臺兼容。測序可分為DNA測序（DNA-Seq）和RNA測序（RNA-Seq）。文庫大小是由插入片段（接頭序列之間的文庫部分）大小決定的，最佳插入片段長度是由NGS設(shè)備以及特定測序應(yīng)用決定的。

1.1.1 DNA文庫制備

根據(jù)測序模板，DNA-Seq可以包括全基因組測序（WGS）、全外顯子組測序（WES）、表觀基因組測序或靶向測序（TS）。模板制備包括聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）和基于雜交捕獲的方法。

• PCR常用于制備TS模板。在早期階段，擴增子測序側(cè)重于有限數(shù)量的基因或外顯子（短程PCR）。長程PCR（LR-PCR）的出現(xiàn)使鳥槍測序（對隨機斷裂的、比擴增子短的片段進行測序）成為一種主要方法。因此，LR-PCR改善了短擴增子測序中出現(xiàn)的序列模糊問題。
• 雜交捕獲常用于制備WES和TS模板，其中互補的生物素化探針與目標(biāo)區(qū)域雜交，使用鏈霉親和素包被的磁珠進行分離。與PCR相比，這種富集方法對于較大基因組區(qū)域是一種經(jīng)濟高效的方法，同時減少了等位基因丟失。

DNA-Seq文庫構(gòu)建涉及片段化、末端修復(fù)、接頭連接和大小選擇的核心步驟。DNA片段化將DNA剪切成最佳的特定尺寸范圍，三種斷裂方法包括物理（即超聲處理）、酶促（即斷裂酶或轉(zhuǎn)座酶破碎）或化學(xué)（二價金屬陽離子加熱）方法。較小的片段有助于高質(zhì)量的測序數(shù)據(jù)，而較長的片段則提供遠端相位信息。

起始DNA被片段化后，會使用T4多聚核苷酸激酶、T4 DNA聚合酶以及Klenow片段三種酶的混合物進行末端補平和5'端磷酸化。3'端利用Taq DNA聚合酶或Klenow片段加A尾。片段化后產(chǎn)生5'/3'黏性末端及平末端，粘性末端都需轉(zhuǎn)化為平末端。在使用TA連接的方式進行接頭連接時，DNA片段在5'端磷酸化后使用Taq DNA聚合酶在3'端加“A”與帶“T”黏性末端的接頭互補配對。接頭連接后，PCR富集通常與文庫制備步驟相結(jié)合。PCR通常使用高保真聚合酶，該酶具有5'→3'聚合酶活性，可沿5'→3'方向合成DNA，同時具有的3'→5'核酸外切酶活性，可去除新合成的DNA鏈或引物3'端的不匹配堿基。

1.1.2 RNA-seq文庫制備

對于RNA文庫，需要根據(jù)測序目的進行文庫構(gòu)建方案的篩選。如果目的是發(fā)現(xiàn)復(fù)雜全面的轉(zhuǎn)錄，文庫需要覆蓋整個轉(zhuǎn)錄組，包括編碼、非編碼、反義及基因間RNA。RNA-Seq對于功能基因組研究非常有用，例如差異基因表達、選擇性剪接和變異發(fā)現(xiàn)。RNA-Seq可分為全轉(zhuǎn)錄組測序（WTS）、mRNA測序（mRNA-Seq）和小RNA測序（smRNA-Seq）。樣品制備一般包括三個步驟：總RNA分離、靶RNA富集以及RNA反轉(zhuǎn)錄成互補DNA（cDNA）。

cDNA合成

RNA需經(jīng)過反轉(zhuǎn)錄形成cDNA的第一條鏈，因RNA極易被環(huán)境中存在的RNase降解，在反轉(zhuǎn)錄過程中使用RNase Inhibitor可以抑制這些酶的活性，保護RNA不被RNase降解。與此同時，逆轉(zhuǎn)錄酶將模板RNA反轉(zhuǎn)錄成cDNA；逆轉(zhuǎn)錄酶具有依賴RNA的DNA聚合酶活性，能夠以RNA為模板，按5'→3'方向合成一條與RNA模板互補的DNA單鏈，也就是cDNA第一鏈。

cDNA第二鏈合成時，RNase除去RNA-DNA雜交鏈中的RNA鏈，配合DNA聚合酶催化合成。DNA聚合酶具有5'→3'DNA聚合酶活性，可在模板和引物的作用下，沿5'→3'方向合成與cDNA一鏈互補的序列。隨后進行末端修復(fù)、接頭連接、PCR擴增最終產(chǎn)生cDNA文庫。

2. NGS的臨床應(yīng)用

隨著精準(zhǔn)醫(yī)療概念的提出，臨床應(yīng)用上對NGS的需求越來越大，病原學(xué)診斷、檢測與遺傳病、腫瘤等疾病的精準(zhǔn)診斷等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)GS的要求也越來越高。在發(fā)生的幾次世界性范圍的傳染性疫情中，NGS技術(shù)也逐漸扮演起重要的角色。

2.1 臨床微生物病原學(xué)診斷

人體中有著由細菌、真菌、病毒等微生物組成的龐大而復(fù)雜的胃腸道系統(tǒng)，且人體許多疾病的發(fā)生都與微生物系統(tǒng)的失調(diào)或微生物入侵有著極其緊密的關(guān)系，而NGS技術(shù)的出現(xiàn)為這些微生物菌群的鑒定檢測與研究提供了有力的技術(shù)支持。

2.2 臨床微生物耐藥診斷

臨床上，醫(yī)院獲得性感染的細菌用藥治療一直是醫(yī)療難點，主要是由于在長期的抗生物用藥篩選中，許多病原體通過基因突變獲得對不同抗生素的耐藥性，給臨床治療造成了極大影響。目前，通過高通量測序深度挖掘并組建藥學(xué)相關(guān)微生物組學(xué)數(shù)據(jù)庫，根據(jù)數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)超過60種藥物與微生物之間存在相互作用。后期高通量測序也可持續(xù)挖掘微生物耐藥性、微生物與藥物間相互作用及其與人類遺傳變異的相關(guān)性。

2.3 臨床腫瘤診治

在癌癥預(yù)防上，高通量測序平臺可以用于腫瘤基因的突變篩查，指導(dǎo)癌癥的防控工作；在癌癥治療上，通過高通量測序平臺挖掘與癌癥相關(guān)的基因，不僅可以發(fā)掘與癌癥相關(guān)的診斷靶標(biāo)，還可以發(fā)掘與之相關(guān)的治療靶點，為臨床提供具體的個性化用藥指導(dǎo)。

2.4 遺傳疾病診斷檢測

NGS的另一項較為重要的應(yīng)用是遺傳性疾病的檢測診斷，主要包括遺傳病診斷、產(chǎn)前篩查與診斷及植入性胚胎遺傳學(xué)診斷。對產(chǎn)婦進行無創(chuàng)產(chǎn)前基因檢測（NIPT），然后對基因檢測異常的產(chǎn)婦羊水或臍帶血細胞進行染色體Ｇ顯帶檢測和熒光原位雜交檢測，作為確診標(biāo)準(zhǔn)。NGS為遺傳性疾病診斷、新生兒疾病早期診斷、產(chǎn)婦無創(chuàng)檢測都提供了極大的便利，在遺傳性疾病的治療與預(yù)防方面呈現(xiàn)出很大的臨床應(yīng)用價值。

表1. NGS平臺的臨床應(yīng)用

參考文獻

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• 化學(xué)修飾熱啟動Taq酶
• 抗體修飾熱啟動Taq酶
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