全基因组检测与遗传病筛查.ppt
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1、全基因组检测与遗传病筛查,Whole genome:Approach to the Milestone in Genetic Disease Scan 南京中医药大学附属医院 赖仁胜 盐城 2014-09-2,全基因组平台人类3.6万基因全部测出不是人类疾病基因全部测出,全基因组测序(HiSeq X10)是探索并掌握个人遗传组成的最有效手段,检测DNA里包含的所有变异,包括发生在编码区的小范围突变,也包括用全外显子组测序等方法检测不到的某些重要的非编码区变异以及结构变异。数据结果不太稳定,精度好检测后不知所措:不知道该用什么措施去认识,分类和治疗,染色体全基因组芯片Chromosomal Mi
2、croarray Analysis(CMA)稳定的检测所有的染色体结构变异和部分已知突变数据结果比较稳定,分辨率差检测后有较成熟的软件分析和重现性,有FDA批准,人体遗传变异两种领域,种系变异生物界germlinevariants出现在各种罕见或常见的遗传疾病中基因异常出现频率占总基因1/万,体细胞变异-肿瘤界somaticvariants体细胞变异则是癌症和遗传病发生的主要原因基因异常出现频率:癌症基因占总基因1/100(300:30000);遗传病基因占总基因3/万,检测遗传学变异-两种主流技术平台,基因测序平台检测碱基突变一代测序二代高通量测序(产前项目 cFDA通过)全基因组测序 都有
3、仪器数据分析系统 但报告软件系统没有建立,染色体芯片分析-检测结构改变CNV(FDA通过)aCGH 比较基因组杂交全基因组CMA:aCGH+SNP全基因组CytoScan HD全基因组OncoScan 都有仪器数据分析系统 仪器外报告软件云服务已在建立,全基因组测序:HiSeq x 10-10台测序仪组和服务器,GeneChip系统:是由高密度GeneChip芯片和试剂,杂交、扫描仪器,数据处理和分析工具组成检测平台,世界上第一种经欧盟和美国FDA审批的体外诊断的芯片系统。,片面:全基因组和高深度测序,才能真正解析基因变异对疾病的影响并更好地开发靶向治疗药物,实现个体化医疗。,全基因组测序缺乏
4、重复性HiSeq X Ten是Illumina于2014年推出的最新测序系统,工厂规模的测序系统,实现了Illumina测序仪迄今为止最高的测序通量和最低的测序成本。HiSeq X Ten系统由10台超高通量测序仪HiSeq X组成,测序读长为2150bp,单台仪器每次运行可产出高达1.8Tb的数据,运行时间在三天以内,10台仪器同时运行时,每周至少可完成320个人类基因组测序(以30覆盖度计算),千年基因的HiSeq X Ten测序实验在CLIA(Clinical Laboratory Improvement Amendments)及IGN(Illumina Genome Network)认
5、证的基因组学实验室开展,其中CLIA是国际公认的提供临床测序服务的最高认证,亚太区仅千年基因总部Macrogen及Takara Bio两个机构通过认证(药明康德仅PGM通过CLIA认证),高通量测序缺乏稳定性Illumina2011年推出MiSeq,实现1000bp读长,获得高通量最精确的测序,但是科研思维贻害公司(只有枪,至今未见生产子弹,需客户科研自造)Thermo-LifeTech 2010年推出PGM,以后推出PROTON,时间快,灵活应用于临床,有少数子弹供应(CancerPanel,inherit Panel,BRCA1/2,传染病)高通量测序都遇到政策阻碍,技术本身缺点 文库制作
6、繁琐,质控难 没有规范测序深度,多次PCR环节,不断放大系统内产物误差 软件自设计自主过滤导致不确定数据采集,千年基因HiSeq X Ten测序结果展示注:医学临床要求长read测序深度至少80X,为什莫目前高通量和全基因组测序还不稳定?,Q30每下降10%,数据过滤时将有约20%的reads被滤掉,意味着75%的Q30将比85%的Q30少20%的可用数据,而致病变异很可能也同时被过滤掉了,边合成边测序时第二条read的碱基质量一般会低于第一条read由于测序试剂、实验操作和GC bias等因素影响,所有待测区域的覆盖深度并不完全一致。尤其是高GC含量的区域,由于测序偏好性的存在一般覆盖深度会
7、低于其他区域。PCR扩增不可避免引入的完全一致的DNA片段,duplicate reads所占比例的高低主要取决于实验人员操作的熟练程度。由于这部分数据对后期的变异分析没有意义,因此会在分析前过滤去除。,Chromosomal Microarray Analysis(CMA)平台分类,十余年来,生物界基因组引领-从微观走向基因组,基于胚系突变的学科进展细胞分子生物学,分子遗传学,医学遗传学,基因组学,癌症基因组学(TCGA),药物基因组学,转化医学,个体化靶向治疗.基于胚系突变的技术进步-核型分析,PCR技术,FISH,定量PCR,SNP(GWAS),LOH,片段分析,基因测序(一代,二代),
8、全基因组芯片从染色体宏观走向基因微观改变,更适应解决体细胞个体化治疗分子病理技术CNV,突变,FISH,表达谱,甲基化,微卫星-涵盖体细胞染色体病,Mayo clinic pathologistDr.Pandita,新的认识:肿瘤启动突变来自于CNV(C class)和序列突变(M class)实体瘤主要由CNV启动,不是突变强调全基因组CNV分析在临床预测,预报和诊断方面的重要性。下一代测序技术目前对临床病理最常见的低丰度CNV,中心拷贝杂合子缺失nlLOH,纯合子缺失和亚克隆进展部分细胞形成少量的mosaic等检测能力不足,tumors can be classified in those
9、 driven by either mutations(M class)or copy number aberrations(C class).C class tumors noted that predictive copy number changes are more frequent than predictive somatic mutation changes in solid tumor samples.These results seem to indicate that there is some risk to limiting tumor profiling to som
10、atic mutations,and emphasize the importance of whole genome copy number analysis in identifying clinically relevant prognostic and predictive markers.Next generation sequencing technologies have limited ability to detect clinically relevant lower level amplifications,copy neutral loss of heterozygos
11、ity,and homozygous deletions,even at significant depth of coverage.,Copy Number Tumors Revealed,2 solid tumor classes-M class(mutation driven)and C class(copy number driven)Nature Paper:Patients with CN versus SMOvarian 100%CN,0%SMBreast-90%CN,20%SMLung SQ-85%CN,25%SMHead&neck-75%CN,30%SMLung ADC-60
12、%CN,40%SMMultiple CN Are Druggable/Predictive By Currently available drugs,染色体减数分裂随机导致疾病1.5%,1/3流产,无着丝粒断片cen 着丝粒chi 异源嵌合体ct 染色单体del 缺失der 衍生染色体dic 双着丝粒dup 重复end 内复制g 裂隙h 次缢痕i等臂染色体ins 插入inv 倒位inv ins 倒位插入inv(p-q+)/inv(p+q-)臂间倒位mar标记染色体mat 来自母亲mos 嵌合体(同源)P染色体短臂,pat 来自父亲Ph费城染色体q染色体长臂r环状染色体rcp 相互易位rea 重
13、排rec 重组染色体rob罗伯逊易位s 随体sce姐妹染色体互换t 易位tan 连续(串联)易位染色体病图片ter 末端pter 短臂末端qter 长臂末端tri 三着丝粒,医学遗传学平衡易位是发病基础,平衡易位:减数分裂时相互易位和复杂易位形成的原发性易位,基本上无遗传物质的丢失,对个体的发育一般无严重的影响,故称之为平衡易位平衡易位携带者通常不会患有异常表型,外貌、智力和发育等通常都是正常的。,“平衡易位”在普通人群发生率为19%。,染色体平衡易位患者流产和生畸形儿的可能性极高,生出健康儿的比例不足三分之一。核型分析,FISH是以往主要手段当下,“分子倒置探针杂交或分子核型分析”,肿瘤体细
14、胞全基因组芯片分析发现,癌细胞:及其复杂的体细胞染色体病CNV,突变,reareagement,扩增,多体,非平衡易位,nl LOH,断裂,缺失,倒位,嵌合,微缺失,同源杂合子缺失,异源性杂合子缺失,卫星-中心粒多体,非同源末端连接实体癌:除液态血液肿瘤外的所有癌,80%以上的临床基因异常是体细胞染色体病,随亚克隆演进,上皮间质转化,成为形态学去分化核异形病理常规诊断的基础,个体化治疗分子病理学技术,ASCO 2014 FISH 902 篇,分子遗传新突破CytoScan HD assay,属于全基因组荧光杂交+PCR+软件诊断全基因组的分子遗传技术仪器自动化原位杂交优势检测肿瘤体细胞复杂演进
15、性900基因突变CNV现象和核型多倍体分析,可与形态验证。重复性,分辨率,精确性优于FISH,全基因组价格优于各种二代测序,4天软件报告,目前用Affymetrix芯片发表的科学文章现已多达143190篇(截至2014年5月29日),多篇文章发表在nature、science、cell等世界最高级别的学术刊物上,Search Results for complete copy numberDisplaying records:1-10 of 35Permissions Request Form-The Hematologist4/17/2009|The Hpletingthis form.We
16、 will return a signedcopyof this form.Photocopy(completeSection 2.2013 American Society of Hematology/American Society of.6/10/2013|ASH Website.4 DEFINITIONS Cloning Cut&Paste=Blocks of text or evencompletenotes from another MD Copy&Paste=Carry forward of prior notes.ASSOCIATE MEMBERSHIP APPLICATION
17、 American Society.10/29/2013|ASH Website.to ASH NewsLink Complimentarycopyof Hematology.When submitting yourcompletedapplication,make.weeks after yourcompleteapplication is.Blood Basics3/29/2014|ASH WebsiteMultiple Myeloma:To T or Not to T,What Will the Answer Be?11/1/2011|The HematologistASCT has b
18、een a standard of care in myeloma due to achievement of both high extent and frequency of response and to the prolonged progression-free survival compared with conventional chemotherapy.However,the availability of novel therapies,including bortezomib and lenalidomide,that have improved outcome has i
19、mpacted the transplant paradigm.Rights and Permissions4/11/2014|The HematologistMaterial published in The Hematologist:ASH News and Reports is covered by copyright.All rights reserved.The American Society of Hematology(ASH),the publisher of The Hematologist,expects that you will respect its intellec
20、tual property rights and use its material solely as permitted by Sections 107 or 108 of U.S.Copyright Law(Fair Use).ASH-AMFDP Award4/2/2014|ASH Website,美国Affymetrix 公司是基因芯片产业先行者,早在1989年就研制出了世界首张基因芯片。其开发的寡核苷酸原位光刻合成专利技术(light-controlled in situ synthesis of DNA microarrays),是目前最高密度的芯片制备技术。Affymetrix 公
21、司以其完备的芯片设计,稳定可靠的分析结果和强大的生物信息学分析能力,帮助研究人员在短时间内获得大量可靠的结果,为后续研究提供重要的线索和帮助。目前用Affymetrix芯片发表的科学文章现已多达24319篇(截至2011年12月29日),多篇文章发表在nature、science、cell等世界最高级别的学术刊物上。Affymetrix GeneChip生物芯片检测系统,是由高密度GeneChip芯片和试剂,杂交、扫描仪器,数据处理和分析工具组成的一整套检测平台,是世界上第一种经欧盟和美国FDA审批的可用作体外诊断的芯片系统。平台设备Affymetrix GeneChip芯片系统的硬件平台由高
22、度自动化的流体工作站、高通量芯片扫描仪,和相关探针序列描述和注释数据库等组成。高度自动化的处理减少手工操作时间,提高了数据重复性。配合使用不同类型的芯片,Affymetrix GeneChip芯片系统可用于RNA和DNA检测的多方面的应用研究。原位光刻合成技术Affymetrix芯片采用原位光刻技术和严格的流程控制合成高密度基因芯片,可以在每平方厘米基片上合成超过400万的探针。Affymetrix原位光刻合成技术的原理:先将基片支持物(wafer)羟基化,并用对光敏感的保护基团将羟基基团保护起来。然后选取特制的光刻掩膜(photolithographic mask)覆盖在基片上,遮挡不需要合
23、成的部位,暴露需合成部位。当光通过蔽光膜照射到基片上,需要合成探针的部位透光,受光照射部位的羟基脱保护而活化。加入3端活化(5羟基末端连接光敏保护基团)的单一一种核苷酸单体底物后,发生偶联反应。在一轮反应之后更换另一张光掩膜控制,FISH技术与二代全基因组芯片比较看清片段大小能力-分辨率 FISH:Poor resolution!Rough image rate,FISH skew:High False Positives And Negatives歪曲了周围区的缺失分辨率粗糙,HER2 False Positive by FISH,Centromere deletedRelative to
24、centromere Her2 is“gained”,Her2 False Negative,Chr 17 amplifiedHer2 relative to centromere“not gained”,二代测序与全基因组芯片比较,全基因组芯片(CMA)优势-稳定性重复性,Affymetrix芯片采用独特的PM-MM探针设计方式,即针对每段参考序列设计一对25-mer探针,其中一个是完全匹配(perfect match,PM)探针,另一个是靠近序列中间的错误位点匹配(mismatch,MM)探针。检测时将每对PM-MM探针的检测信号综合起来,这样有助于区分特异性结合与非特异性结合的靶片段,从
25、而提高探针灵敏度和特异性。,Affymetrix芯片采用原位光刻技术和严格的流程控制合成高密度基因芯片,可以在每平方厘米基片上合成超过400万的探针。Affymetrix原位光刻合成技术的原理:先将基片支持物(wafer)羟基化,并用对光敏感的保护基团将羟基基团保护起来。然后选取特制的光刻掩膜(photolithographic mask)覆盖在基片上,遮挡不需要合成的部位,暴露需合成部位。当光通过蔽光膜照射到基片上,需要合成探针的部位透光,受光照射部位的羟基脱保护而活化。加入3端活化(5羟基末端连接光敏保护基团)的单一一种核苷酸单体底物后,发生偶联反应。在一轮反应之后更换另一张光掩膜控制活化
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- 关 键 词:
- 基因组 检测 遗传病
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