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细胞遗传学分析检测与研究的革命性技术

【字体: 时间:2020年08月12日 来源:基因有限公司

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  自Bionano Saphyr产品问世以来,逐渐提升的的检测通量,使得这一技术在细胞遗传学相关的应用中逐渐显露出显著的技术优势,打破了过去对结构变异检测的瓶颈,以其500 bp结构变异检测的分辨率,以及可检测低至1% VAF的结构变异的优势,被越来越多的研究人员应用于临床相关的应用研究中。

自Bionano Saphyr产品问世以来,逐渐提升的的检测通量,使得这一技术在细胞遗传学相关的应用中逐渐显露出显著的技术优势,打破了过去对结构变异检测的瓶颈,以其500 bp结构变异检测的分辨率,以及可检测低至1% VAF的结构变异的优势,被越来越多的研究人员应用于临床相关的应用研究中。

结构变异检测方法的局限性

随着测序技术的不断发展,越来越多的研究已经不再局限于单核苷酸变异(Single Nucleotide Variant,SNV),更为复杂的,但也往往极为常见的结构变异(Structural Variant,SV)也成为了近年来的研究热点。然而受制于NGS的技术瓶颈,尽管一些结构变异,如150 bp以下的插入与缺失能够发现与检测,但更大范围的插入缺失,或是重复区域的拷贝数变异则难以检测。

另外,基因组结构中还存在着一些倒位、易位的变异,更是NGS这样的短读长技术所难以覆盖的。随着如PacBio高准确度长读长测序技术的发展,大范围的结构变异得到了很好覆盖,但在一定的范围内,还依然缺乏对结构变异有效的分析检测和研究方法。


变异检出的准确性随着开放阅读框破坏的增加而降低(1)

而在过去的几十年中,临床样本中结构变异检测方法的发展并非十分显著。主要依靠传统的细胞遗传学方法,例如核型分析,荧光原位杂交(FISH)和基于微阵列芯片的技术。由于技术限制,这些方法均无法解决复杂的基因组变异,并且同时需要与分子生物学方法(例如MLPA,qPCR,RNA-seq)进行组合,以补充提供有关患者完整治疗方法及预后评估的信息。

Bionano单分子光学图谱技术

伴随着测序技术的发展,可视化的单分子光学图谱技术,成为了解决以上难题的一个重要技术手段。与核型方法相类似,Bionano单分子光学图谱技术使DNA分子实现图谱可视化。在一个样本的基因组中,50万个特定的标记为每一段单分子的序列形成了完整而特定的光学图谱。在Bionano Saphyr平台上,这些具有荧光标记,长度可达Mb级的单分子DNA序列以线性的方式,在纳米通道中进行高通量,自动化的成像。

通过形成的光学图谱信息,相对于核型分析,我们可以检测的分辨率可以提升至原先的10000倍,即可观察到500 bp左右的插入和缺失事件。而通常采用染色体条带变化的核型分析,其分辨率则只能达到约6 Mb。而在最新的Bionano Saphyr上,单张芯片最大可检测3个样本,并且每个样本达到1600X的基因组覆盖率。则以检测等位基因分数(Variant Allele Fraction,VAF)低至1%的结构变异。


Bionano单分子光学图谱技术的原理流程

Bionano单分子光学图谱技术

目前,Bionano基因组单分子光学图谱检测技术已经成功的在医学领域有所应用。不仅在分辨率上较核型检测有所提升,相对于FISH和微阵列芯片技术,也有着更大的优势。

由哥伦比亚大学(Columbia University)领导的一项多中心协作的大型研究,将Bionano技术与血红素恶性肿瘤的标准检测分析方法进行了比较:初期的研究成果在2020年5月举办的癌症基因组学联盟网络研讨会上展示,bionano对所有的91个样本进行分析,其结果与核型分析的结果达到了100%一致性,并且也符合部分样本在FISH和微阵列芯片技术分析所得到的结果。(2)

来自MD安德森癌症中心(MD Anderson Cancer Center)进行的一项研究,在骨髓增生异常综合症(MDS)患者中,对Bionano检测方法与传统细胞遗传学方法的检测进行了比较。早期的结果显示,在13个MDS样本中对VAF为10%的变异,Bionano技术获得了100%的成功检测的结果,这一数据相比于染色体核型分析和微阵列芯片所得到的结果更为可靠,并且还发现了许多在细胞遗传学方法中漏掉的其他复杂变异。(3)

荷兰拉德堡德大学医学中心(Radboud University Medical Center,RUMC)的亚历山大•霍伊森(Alexander Hoischen)博士领导的另一组科学家在相关的报告中显示,发现Bionano Saphyr 系统与白血病诊断金标准达到100%一致性,这一研究于2020年2月6日在bioRxiv发布。研究人员使用标准细胞遗传学分析方法分析了48例髓样和淋巴性白血病患者样本,这些样本代表了RUMC最常见的病例,而所有样品致病变异的VAF至少为10%。根据大的结构变异的数量进行划分,将37个样品视为简单样品,将11个样品分类为复杂样品。 随后使用Bionano对所有48个样品进行分析,识别出了所有过去有所发现和报道的变异,并且,Bionano还可以提供更高分辨率和更完整的复杂变异视图。(4)


Bionano单分子光学图谱技术相对于核型检测技术,FISH和微阵列芯片技术,也有着更大的优势。(5)

更为简化的细胞遗传学检测流程

相对于核型检测,FISH,以及微阵列芯片技术,Bionano提供了更高的灵敏度,以及更多的变异检测类型,并且,即使在异质癌症样品中低VAF的样本中,也能在全基因组中无偏好性的达到以上的检测效果。通过提供完整而清晰的基因组结构图,它可以识别当前未监测的预后标志物,并能够在一次测试中完整表征癌症或患者基因组,从而取代构成金标准的多个细胞遗传学测试。


Bionano与传统细胞遗传学实验工作流程的比较

因此,相对于传统的细胞遗传学实验室检测流程,Bionano将提供更为简便,快速,并且从DNA提取到数据分析的全面检测方案。相对于传统的检测手段,不仅节约了大量的实验室资源,并且也压缩了检测的时间。4个工作日内,即可完成样本到结果的全部流程,并在1600X的基因组覆盖度下,获得VAF低至1%基因变异的相关检测。通过提供完整、清晰的基因组结构图像,Saphyr系统可以鉴定出目前未监测的预后标志物,并可在单次试验中看到肿瘤或患者基因组的全貌, 取代需进行多种细胞遗传学试验的“金标准”。

Bionano Saphyr 单分子基因组光学图谱检测系统

Bionano Genomics公司推出的最新Saphyr平台具有增强的光学功能,可自动化调整DNA样本的加载。并且双芯片位及芯片夹(Chip Clip)的设计,可有效保护样品完整性,并且无需在两次运行之间进行仪器清洗循环,芯片手工操作不超过3分钟。结合拥有多达12万个纳米通道超大容量的半导体芯片,可以快速获得100 kbp到Mb级别DNA分子的图谱标记,形成全基因组光学图谱,用于超高灵敏度的结构变异检测分析和复杂基因组de novo组装。数据规模可按不同的研究需求进行扩展。对于人的样本,每张Saphyr芯片可提供高达15 Tbp的数据产出(每个Flowcell可达5 Tbp),用于深层结构变异的发现。目前广泛应用于肿瘤、白血病、遗传病、罕见病等疾病的研究。

References:
1. Ashley, E. Towards precision medicine. Nat Rev Genet 17, 507–522 (2016).
https://doi.org/10.1038/nrg.2016.86
2. Dr. Brynn Levy, CGC 2019 Series
3. Dr. Rashmi Kanagal-Shamanna, AMP 2019 Series – Dr. Rashmi Kanagal-Shamanna
4. Neveling K et al. bioRxiv2020.02.06.935742 4. Hastings et al. European guidelines for constitutional cytogenomic analysis, European Journal of Human Genetics, 2019.
5. Hastings et al. European guidelines for constitutional cytogenomic analysis, European Journal of Human Genetics, 2019.

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