癌症研究必读5：如何研究癌症中的基因调控

新一代测序和芯片技术可监控转录组和表观基因组中的变化。那些在癌症相关的基因调控中起作用的蛋白-DNA相互作用也能在全基因组水平分析。研究人员在检测这些调控机制时，有测序和芯片两种选择（表4）。

DNA-蛋白质相互作用

染色质免疫沉淀测序（ChIP-Seq）提供了无假设的基因表达调控信息，也带来了整个基因组内与DNA相关的蛋白活性的完整快照。全基因组ChIP-seq作为一个简单且经济的解决方案，帮助研究人员洞察蛋白介导的基因调控机制。样品可多重检测，实现高通量处理，并且深度测序可检测低丰度的蛋白-DNA相互作用，比如与转录因子研究相关的那些。

DNA甲基化

癌症进展通常由表观遗传变化引起，或受到其影响，这些变化改变基因表达。评估DNA的甲基化状态有助于深入了解基因表达的调控驱动因素，影响癌症的发生和发展。基于测序的甲基化分析让研究人员能够鉴定和追踪整个基因组的甲基化图谱，以单碱基分辨率检测甲基化特征的变化。有了甲基化芯片，研究人员则可以定量拷问专家精选的内容，在通量能力和经济能力之间保持平衡。

RNA测序

RNA测序（RNA-Seq）让研究人员能够了解DNA突变的功能影响，实现基因融合、新型选择性转录本及其他形式的癌症相关转录组变异的检测。新一代RNA测序的动态范围宽，即使是低水平的表达也能可靠检测和定量。这些研究数据有助于告知更有效的疗法，并支持诊断和生物标志物的开发。Illumina提供多种RNA文库制备试剂盒，支持广泛的RNA测序应用，包括全转录组测序、链特异的mRNA测序、反义表达的检测，以及编码和非编码RNA的检测。对于那些处理有限的FFPE组织或量少质差的样品的客户，Illumina也提供经过优化的试剂盒。

靶向RNA测序

与检测体细胞变异的靶向DNA测序类似，分析一组重点的RNA序列能够实现更深度的测序，并支持快速经济的样品处理。对于一些人们感兴趣的区域，Illumina提供预选的集合，它们的内容由专家定义。1385个癌症相关基因的综合列表让多种癌症中的不同类型变异的检测成为可能。进一步关注那些参与基因融合事件的基因，带来了更深度的覆盖，可以实现更加灵敏的融合检测，这些由简化的分析软件提供。Illumina还提供固定集合，覆盖与癌症相关的特定通路，如p53、NK-kB或Wnt通路。通过DesignStudio可设计和订购用户定义的测序集合，创建一个完全定制的靶向测序检测，固定的RNA集合也可以半定制，以解决独特的假说。

小RNA测序

小分子RNA或microRNA（miRNA）可通过各种机制调控基因表达。缺失或扩增的miRNA位点所在的基因组区域已经与多种形式的癌症相关联。miRNA的相对丰度和大小使其难以通过标准的RNA-Seq方法来检测。小RNA测序特异性地靶向miRNA，是miRNA分析的一种强大且有效的方法。

表4：Illumina探索癌症中基因调控的解决方案

	主要特点/优点	基因组内容	DNA或RNA起始量	数据分析工具
RNA测序
TruSeq Stranded Total RNA Library Preparation Kit	与FFPE兼容 精确检测链方向 全转录组分析	编码区及多个形式的非编码RNA（如miRNA、snRNA、lincRNA、snoRNA等）	0.1-1 μg总RNA	BaseSpace Core Apps for RNA and RNA Express
TruSeq Stranded mRNA Library Preparation Kit	与FFPE兼容 精确检测链方向 通过poly-A尾巴捕获mRNA	编码RNA/mRNA	0.1-4 μg总RNA	BaseSpace Core Apps for RNA and RNA Express
TruSeq RNA Access Library Preparation Kit	与FFPE兼容 关注RNA编码区域 为降解的样品或有限的起始材料而优化	21,415个目标基因a	10 ng新鲜/冷冻RNA 20-100 ng FFPE RNA	BaseSpace Core Apps for RNA and RNA Express
RNA靶向测序
TruSight RNA Pan-Cancer Panel	与FFPE兼容 关注肿瘤学特异的编码区域 为降解的样品或有限的起始材料而优化	1,385个目标基因	10 ng新鲜/冷冻RNA 20-100 ng FFPE RNA	BaseSpace RNA-Seq Alignment App
TruSight RNA Fusion Panel	与FFPE兼容 检测已知和新颖的基因融合 为降解的样品或有限的起始材料而优化	507个目标基因	10 ng新鲜/冷冻RNA 20-100 ng FFPE RNA	Local Run Manager RNA Fusion module BaseSpace RNA-Seq Alignment App
TruSeq Targeted RNA Expression Kits-Custom	与FFPE兼容 用户定义的内容	每个定制集合上12-1000个目标	50 ng完整的总RNA ≥ 200 ng降解的RNA	MiSeq Reporter Targeted RNA Workflow
TruSeq Targeted RNA Expression Kits - Fixed Panels	与FFPE兼容 预选的内容适合重点研究 用自定义内容来扩充	预选的基因适用于凋亡、心脏毒性以及其他研究b 附加内容包括12-1000个目标	50 ng	MiSeq Reporter Targeted RNA Workflow
小RNA测序
TruSeq Small RNA Library Preparation Kit	以高的覆盖度和灵敏度实现miRNA的发现和分析 研究17至35个核苷酸的小RNA	小RNA/miRNA	1 μg总RNA 10-50 ng小RNA	Local Run Manager MiSeq Reporter Small RNA Workflow
ChIP测序
TruSeq ChIP Library Preparation Kit	确定DNA结合蛋白的分布和丰度	全基因组	5-10 ng ChIP来源的DNA	第三方软件c
TruSeq DNA Methylation LIbrary Preparation Kit（前身是EpiGenome MethylSeq Kit）	检测CpG、CHH和CHG区域 操作包括亚硫酸氢盐转化和Illumina文库制备	全基因组	50-100 ng DNA	第三方软件c, d
甲基化芯片
HumanMethylation450 BeadChip	> 485,000个甲基化位点 每块芯片处理12个样品	99%的RefSeq基因，96%的CpG岛e	500 ng DNA	GenomeStudio Methylation Module

a. 覆盖98.3%的RefSeq外显子组区域。
b. 现有的固定集合适用于凋亡、心脏毒性、细胞周期、Hedgehog通路、神经退行、NFkB通路、p450通路、p53通路、干细胞和Wnt通路。
c. 目前有一些第三方的软件方案，适用于ChIP-Seq的数据分析，包括MACS，一款来自Galaxy的开源方案，以及Avadis NGS。
d. 即将推出，BaseSpace中的Bismark。
e. Infinium HumanMethylation BeadChip平均覆盖每个基因区域的17个CpG位点，这些区域分布在启动子、5’UTR、第一个外显子、基因主体和3’UTR。额外覆盖岛岸及其侧翼区域，CpG岛之外的CpG位点，人类干细胞中鉴定出的非CpG甲基化位点，T/N（多种形式的癌症）和一些组织类型中鉴定出的差异甲基化位点，编码区以外的CpG岛，以及miRNA启动子区域。

基因调控研究的数据分析工具

Illumina的BaseSpace TopHat Alignment和Cufflinks Assembly and Differential Expression（Cuffdiff）应用程序在一个简单的点击运行用户界面中，提供了一套广泛采用的RNA数据分析工具。这些应用程序包括各种常见的转录组数据分析所需的工具。TopHat高度可信的比对可实现丰度测定，并检测剪接点、基因融合和cSNP。CuffDiff实现了灵敏的转录本发现和差异表达分析。TopHat Fusion带来了高度可信的基因融合检测，而Isaac™带来了可靠的变异检出。

结语

基因组技术的最新进展加快了癌症研究的探索步伐。基因组、外显子组、表观基因组和转录组测序中的NGS方法已经绘制了多条研究路径，让人们更深入地了解癌症的病因和进展。HiSeq、NextSeq、MiSeq和HiScan平台所带来的数据规模支持各种癌症研究目标，包括鉴定体细胞反复突变，发现新的癌症驱动基因，以及分析表观遗传学的改变。对于某些类型的癌症，如乳腺癌和胃癌，这些基因组技术的进步已经将癌症诊断和治疗带入个性化医疗领域14-16。自2003年推出第一块BeadChip芯片以及2007年推出第一款测序系统以来，Illumina通过不断创新加快了研究的步伐。通过与顶尖的肿瘤学专家及国内和国际癌症组织合作1,2,9-13，Illumina围绕着NGS和芯片方案，不断扩大癌症产品线。

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