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体液样品当中的环状 DNA 有什么用?云序助力揭示髓母细胞瘤脑脊液eccDNA 的分子标志物潜质

发布时间:2022-12-30 15:39 |  点击次数:

染色体外环状 DNA(Extrachromosomal DNA,简称 eccDNA) 已在许多肿瘤当中发现,并且在有些疾病当中可以充当诊断的生物标志物。然而,髓母细胞瘤( Medulloblastoma ,简称 MB)作为一种缺乏早期诊断方式的恶性肿瘤,在该疾病当中的 eccDNA 却尚无研究报道。近期,云序客户首都医科大学三博脑科医院的马立新课题组在 Frontiers in Oncology 杂志上发表论文,首次揭示了髓母细胞瘤患者肿瘤组织以及脑脊液当中的 eccDNA 的特征。云序生物有幸参与了该项研究当中的eccDNA 测序以及数据分析工作。
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论文标题Whole-genome sequencing of extrachromosomal circular DNA of cerebrospinal fluid of medulloblastoma
发表期刊:Frontiers in Oncology(5.738)
发表日期:2022 年 11 月 08 日
实验方法组织细胞环状 DNA 测序体液样品环状 DNA 测序
 
研究路线
 
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研究内容
1、MB 患者肿瘤组织和脑脊液中 eccDNA 的检测
作者收集了 MB 患者的肿瘤组织以及脑脊液(Cerebrospinal fluid,简称 CSF)以及健康人的对照样品,并由云序生物分别对组织样品和脑脊液样品进行了针对性的 eccDNA 富集实验。对于肿瘤组织样品,使用了A&A Biotechnology 的 DNA 纯化柱进行 eccDNA 纯化,并使用外切酶消化残余的线性 DNA。随后,富集后的 eccDNA 进行了滚环扩增,超声波片段化,并建库测序。对于脑脊液样品,首先使用外切酶消化线性 DNA,随后对剩余的环状 DNA 进行 Tn5 转座酶处理,打开环状结构并加上接头,进而进行 PCR 扩增并建库测序。在共计 9 份(4 份患者肿瘤组织,1 份健康人组织,3 份患者脑脊液,1 份健康人脑脊液)样品当中,共检测到了超过 35179 种不同的 eccDNA,其中各样品当中平均检出 6718 种 eccDNA,中位数为 5472。作者还对所有通过测序得到的 eccDNA 成环位点上下游 10 bp 的序列进行了 motif 分析,发现了如图所示的以三个核苷酸为单位的基序特征。
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2、eccDNA 谱的特征
测序实验检测到的 eccDNA 广泛来源于各条染色体,但在第 17 号染色体当中具有最高的 eccDNA 来源密度。而在早前的研究报道当中,MB 患者的 17 号染色体上有发现 DNA 损伤-修复的现象,这有可能是 eccDNA 产生的原因。eccDNA 来源密度最低的染色体则是 Y 染色体,这一现象也与早前的研究报道所吻合。eccDNA 的来源序列在各种基因区域当中都有检到,但在 5'UTR 和 Alu 重复元件当中相对较密集,在内含子区域当中相对较稀疏。eccDNA 的长度在 32 到 7,239,203 bp 之间,其中由 16 种(占全部 eccDNA 的 0.4548%) eccDNA 的长度超过 1 MB,而多达 99.77% 的 eccDNA 长度在 2kb 以下。eccDNA 的中位数长度,在组织样品当中为 272 bp、在脑脊液样品当中则为 279 bp。两类样品当中的均观测到大约位于 201 bp 和 360 bp 位置的两个 eccDNA 长度分布峰。
测序实验中检测到 47.50% 的 eccDNA 与基因编码区存在重叠关系。97.87% 的 eccDNA 仅与单个基因存在匹配关系,但仍有少量的 eccDNA 来源于多个基因的片段,例如存在 8 个基因含有多达 15 个基因的片段来源。有 77.35% 的基因的片段出现在了大于等于两种 eccDNA 上,而第 7 号染色上长度高达 2.3 MB 的 CNTNAP2 基因则形成了多达 43 种不同的 eccDNA。作者还对各条染色体上的 eccDNA 密度和基因密度做了关联分析,发现 eccDNA 的密度与基因分布密度存在正相关关系,而基因密度最大的第 17 号染色体上的 eccDNA 来源密度也最高。
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3、MB 肿瘤组织与健康组织之间的 eccDNA 组间差异
随后,作者比较了 4 份 MB 肿瘤组织和 1 份健康对照组织之间的 eccDNA 组间差异。在两组样品共计检到的 35179 种 eccDNA 当中,多达 24873 种 eccDNA 仅在肿瘤组织中检测到,而 3553 种 eccDNA 仅在健康组织当中检测到,6753 种 eccDNA 则在两组当中都有发现。在长度方面,总体而言,健康组织当中的 eccDNA 长度比肿瘤组织当中的更短。在丰度方面,各样品之间的 eccDNA 丰度并无显著差异。
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4、MB 患者的肿瘤组织与脑脊液之间的 eccDNA 组间差异
随后,作者比较了 3 位 MB 患者的肿瘤组织及相同患者的脑脊液样品当中的 eccDNA 特征。对于每一位单独的患者而言,其 MB 肿瘤组织与脑脊液当中的 eccDNA 数目、长度分布特征以及染色体来源特征上都比较接近。因为 MB 患者肿瘤组织和脑脊液中 eccDNA 特征的相似性,作者认为脑脊液将可取代肿瘤组织取样,在 MB 患者的当中作为 eccDNA 检测的shou选样品类型。
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5、MB 患者脑脊液与健康人脑脊液之间的 eccDNA 组间差异
作者对 MB 患者和健康人的脑脊液样品之间的组间差异 eccDNA 基因进行了 GO 和 KEGG 通路分析。
GO 富集分析显示,MB 患者脑脊液中上调的 eccDNA 基因在生物学功能(BP)方面富集于树突发生(dendrite development)、轴突发生(axongenesis)、细胞分化中的形态发生调控(regulation of cell morphogenesis involved in differentiation),在细胞组分(CC)方面富集于谷氨酸能突触(glutamatergic synapse)、阳离子通道复合体(cation channel complex)、离子通道复合体(ion channel complex)等条目,在分子功能(MF)方面面富集于 Ras G 蛋白结合(Ras GTPase binding)、小 G 蛋白结合(small GTPase binding)、钙调蛋白结合(calmodulin binding)等条目。类似地,在 MB 患者脑脊液中下调的 eccDNA 基因在生物学功能(BP)方面富集于跨膜例子转运调控(regulation of ion transmembrane transport)、轴突发生(axongenesis)、树突发生(dendrite development)等条目,在细胞组分(CC)方面富集于阳离子通道复合体(cation channel complex)、离子通道复合体(ion channel complex)、跨膜转运复合体(transmembrane transporter complex)等条目,在分子功能(MF)方面面富集于小 G 蛋白结合(small GTPase binding)、 Ras G 蛋白结合(Ras GTPase binding)钙调蛋白结合(calmodulin binding)等条目。
KEGG 通路分析则显示,MB 患者脑脊液当中上调的 eccDNA 基因富集于轴突引导( Axon guidance pathway )、Rap1 信号(Rap1 signaling pathway)、胆碱能突触(Cholinergic synapse pathway)等通路,MB 患者脑脊液当中下调的 eccDNA 基因富集于 ErbB 信号(ErbB signaling pathway)、GnRH 分泌(GnRH secretion pathway)、局灶性粘附(Focal adhesion pathway)等通路。
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6、从 MB 患者和健康人的脑脊液中差异 eccDNA 基因中发现总生存期关的 Hub 基因
作者在 MB 患者和健康人的脑脊液样品中分析了特有的 eccDNA,发现了 380 个 eccDNA 在 MB 患者的脑脊液中均存在,但没有出现在健康人的脑脊液样品当中。这 380 个 eccDNA 中含有 220 个基因来源片段,作者将这 220 个基因与 GSE85217(MB 组织的 mRNA 芯片数据) 和 GSE124814 (1350 份 MB 患者以及 291 份正常脑组织的 mRNA 芯片数据)这两个基因集取交集,得到了 161 个基因用于后续的分析。GSE85217 当中共记录了 337 位 MB 患者的临床生存信息,故被用于后续的生存分析。依据单变量 Cox 回归模型,共计有 21 个与总生存期(OS)显著相关的 Hub 基因;多变量 Lasso-penalized Cox 分析则确定了18个基因;最终共有 10 个基因被选用建立预后模型,它们包括:MSH6, NUP85, TBCK, HERPUD2, ZNF750, BAIAP2L1, IFNGR2, FAM172A, FBXO45 和 CFLAR。作者在 GSE124814 中比较了 MB 患者和正常脑组织之间基因表达差异情况,发现前述的 10 个基因当中有 9 个存在显著的组间表达差异。单变量 Cox 回归模型显示,这 10 个基因都可作为独立的 MB 总生存期预后指标,因此作者最终将这 10 个基因全部用于一个 MB 风险分数模型。
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7、建立 Hub 基因的预后特征
使用 R 包 "survival" 计算 Hub 基因的表达值,作者将这个计算结果定义为“风险分数”(Risk score)。以风险分数中位数作为阈值,将 337 个 MB 患者区分为高风险组和低风险组。使用 KM 生存曲线来比较高风险组和低风险组的总生存期,发现存在显著组间差异。MSH6、NUP85、IFNGR2、FBXO45 等几个基因与总生存期呈负相关关系,而 TBCK、HERPUD2、BAIAP2L1 等几个基因则与总生存期呈正相关关系。为了检验 Hub 基因的预后预测能力,作者绘制了 ROC 曲线,发现 1 年、3 年、10 年生存期的 AUC 面积分别达到了 0.759, 0.799 和 0.781,显示出良好的预测能力。至于 Hub 基因对 MB 的诊断能力,ROC 曲线结果显示,AUC 面积超过了 80%,说明 hub 基因对于 MB 的诊断效果显著。对高风险组和低风险组的总生存期和 10 个基因的表达进行的比较显示,高风险组与较差的预后相关。Hub 基因的热图也显示,上调基因与较差的预后相关。
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8、预测性列线图的构建和验证
作者随后还考量了年龄、性别、肿瘤转移、分子亚型对于预后模型的影响,单变量和多变量 Cox 回归分析都显示,除了风险分数以外,年龄和肿瘤迁移都是影响 MB 患者总生存期的独立影响因素。随后,作者使用风险分数、年龄、肿瘤转移、预后参数以及其他相关临床数据,构建了一个用于预测 MB 患者 3/5/10 年总生存期的预测性列线图。该列线图与实际的 3/5/10 年总生存期大体上保持一致,表现出良好的可靠性。
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小  结

本研究在 MB 患者和健康对照者的肿瘤组织和脑脊液样本中对 eccDNA 进行了分析,并鉴定出 MB 患者中富集的 eccDNA 相关基因。eccDNA 在基因组中的分布与基因密度密切相关,符合以往文献报道的 eccDNA 形成机制。脑脊液中的 eccDNA 表现出与同一样品来源的 MB 肿瘤组织相似的特征。但在 MB 患者和正常人之间则有不同的 eccDNA 表达。作者最终选择了在 eccDNA 数据集和 GEO 数据库中都很突出的 10 个 Hub 基因,据此将MB 患者分为高风险组和低风险组,并由此建立了一个预后列线图。本项研究为 MB 组织和脑脊液中 eccDNA 的特点和形成机制提供了初步证据,并发现脑脊液中 eccDNA 相关的 Hub 基因可作为 MB 的诊断和预后生物标志物。
 
云序生物eccDNA测序
云序生物是国内率先提供环状DNA测序服务的公司,早在2018年已启动了环状 DNA 测序技术的开发。2019年,云序发布了组织细胞环状 DNA 测序(circle-seq),并成为A&A Bio  du家代理(该品牌的环状 DNA 纯化柱被绝大部分环状DNA高分文章采用)。2020年,云序又相继发布了体液样品环状DNA测序体液样品环状DNA甲基化测序服务,拥有丰富的环状DNA测序产品线。云序生物环状DNA测序采用双端测序,上机测序数据量24G。迄今为止,我们已经完成上千例样品的环状DNA测序,积累了丰富的项目经验,样品类型涵盖:组织﹑细胞﹑血清﹑血浆﹑尿液等,物种涵盖:人﹑小鼠﹑大鼠﹑拟南芥﹑果蝇﹑酵母﹑非洲爪蟾等。2021年,云序生物的客户发表国内首批 eccDNA 研究论文,其中更有发表于 Nature Communications 上的高分研究。

 

云序生物eccDNA相关产品
组织细胞环状DNA 测序

体液样品环状DNA 测序

体液样品环状 DNA 甲基化测序

环状DNA Sanger 测序验证

环状DNA定量PCR

A&A Biotechnology 环状DNA 纯化柱

 
1.组织细胞环状DNA测序
云序生物基于circle-seq的方法,采用多种手段包括柱纯化去除基因组DNA、酶消化去除线性DNA和线粒体DNA、滚环扩增放大信号,高效地纯化和富集环状DNA,再利用NGS测序和生信分析识别环状DNA。结合优化的实验流程,本环状DNA测序服务具有检出率高﹑准确性好等优点。

技术优势:
使用原装A&A Biotechnology纯化柱高效富集环状DNA
滚环扩增放大环状DNA信号,提高检出率
专业的生信分析:详尽的注释、丰富的图表
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 云序生物eccDNA测序实验示意图
 
2.体液样品环状DNA测序
针对血清、血浆、尿液、脑脊液等微量的体液样品,云序生物参考卢煜明教授团队开发的方法,酶切去除线性DNA后,利用Tn5转座酶,打开eccDNA环状结构并同时在DNA片段两端加上接头,进行建库及测序。Tn5转座酶法效率高,损耗低,实现血液循环系统中微量的环状DNA的检测。并且本产品能保留环状DNA的原始表达量,使得不同环状DNA间的表达量的比较更为准确。

技术优势:
减少DNA损失
保留原始表达量,不同环状DNA间表达量比较更准确

3.体液样品环状DNA甲基化测序
针对血清、血浆、尿液、脑脊液等微量的体液样品,云序参考卢煜明教授团队 2021 年研发的方法,酶切去除线性DNA后,利用Tn5转座酶,打开环状DNA环状结构并同时在DNA片段两端加上接头,并用酶转化法将未甲基化的C转化为U,进行建库及测序。一次建库测序中同时检测样品中环状DNA及其甲基化位点的信息。
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技术优势:
一箭双雕:同时检测环状DNA及其甲基化状况,节约样品,性价比高
单碱基分辨的环状DNA甲基化分析

4.环状DNA sanger测序
针对测序项目中筛选出的环状DNA,云序提供sanger测序服务验证环状结构。其主要目的在于:为用户提供一种低成本的扩大样品量验证手段,节约实验成本。通过设计反向引物进行PCR扩增,将覆盖环状DNA连接位点的扩增产物进行sanger测序,验证连接位点处序列。

5.A&A Biotechnology 环状 DNA 纯化柱
A&A Biotechnology的纯化柱,是绝大部分环状DNA高分文章中所使用的纯化柱。云序生物是该品牌在国内的wei一总代理。

 
云序生物服务优势
优势一:国内率先提供环状DNA测序服务和环状DNA甲基化测序的公司,同时也是首家有客户发表 10 分以上 eccDNA 论文的公司。
优势二:拥有包括组织细胞/体液样品环状DNA测序服务和环状DNA甲基化测序在内丰富的环状DNA测序产品线。
优势三:A&A Biotechnology 总代理,采用原装A&A Bio纯化柱,环状DNA 纯化效果好。
优势四:一站式服务:您只需按照送样要求向云序生物寄送样品,我们就能为您完成从环状DNA 提取,文库制备,上机测序到数据分析整套服务流程。 
优势五:严格质控流程:云序生物质控流程严格,层层把关,为客户提供高准确度的结果。
优势六:专业化生物信息分析:云序生物强大生物信息团队,满足客户个性化数据分析要求。


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