疾患関連遺伝子の long-range PCR Nextera解析2.pptx

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1 イルミナウェビナー 2013 年年 6 月 19 日 疾患関連遺伝 子の long- range PCR Nextera 解析 国 立立遺伝学研究所 人類遺伝研究部 門 細道 一善

2 本 Webinar について 比較的 手軽な次世代シーケンサーの使い 方 数 十kb 程度度の領領域 ( 遺伝 子 ) をシーケンスしたい 数 十検体のシーケンスをしたい PCR 産物をクローニングしてシーケンスするような解析 HiSeq2500

3 Nextera のライブラリー調整の詳細

4 遺伝 子のシーケンス エクソーム解析 GWAS 連鎖解析 原因遺伝 子 別の検体における 遺伝 子のシーケンス タンパク質コーディング遺伝 子 平均 長 53.6kb 最 小 数 100bp 最 大 2.4 Mb (DMD dystrophin) 平均エクソン数 9.8 ( エクソン平均 長 288bp) 最 大 363 (TTN titin) 最 小 1

5 ターゲットリシーケンス法 ハイブリダイゼーションによる濃縮 TruSeq Custom Enrichment Kit ( イルミナ ) SureSelect DNA Capture ( アジレント ) Haloplex ( アジレント ) SeqCap EZ choice library ( ロシュ ) など PCR アンプリコン TruSeq カスタムアンプリコン ( イルミナ )

6 ターゲットリシーケンス法 ハイブリダイゼーションによる濃縮 TruSeq Custom Enrichment Kit ( イルミナ ) SureSelect DNA Capture ( アジレント ) Haloplex ( アジレント ) SeqCap EZ choice library ( ロシュ ) など PCR アンプリコン TruSeq カスタムアンプリコン ( イルミナ ) Long- range PCR & Nextera kit

7 long- range PCR の増幅 長 約 10kb 約 20kb M M kb 23.13kb 21.23kb 増幅 長 (bp) 増幅 長 (bp) 増幅 長 (bp) , , ,078 11, ,459 21, , ,623 10,071 20, , , ,196 23, , , ,127 12, ,406 21, ,438 10, ,972 22, ,335 10, ,776 21, ,335 21,306

8 long- range PCR Nextera 解析 ~実験の流流れ ~ 1. ロング PCR プライマー設計 2. ロング PCR 増幅 3. Nextera kit によるライブラリー調整 4. MiSeq によるラン

9 ロング PCR プライマー設計 プライマー設計の条件 Tm 値 68 塩基数 26mer プライマー配列列がゲノム内でユニーク プライマー設計位置に SNP が無い ロング PCR 産物の 長さ 10kb- 20kb (DNA の質にもよる )

10 2 ステップ PCR (10kb) DNA(20ng) 0.5 μl 5 x Buffer 2 μl dntp Mixture 0.8 μl Primer F 5uM 0.4 μl Primer R 5uM 0.4 μl PrimeSTAR GXL 0.4 μl H 2 O 5.5 μl total 10.0 μl 94 o C 2 min 98 o C 10 sec 68 o C 5 min 4 o C 30cycles 増幅 長約 20kb の場合は 10min PCR 酵素 TaKaRaPrimeSTAR GXL DNA Polymerase TOYOBO KOD FX KFX- 101 など R050A

11 ロング PCR プライマー設計 プライマー設計の条件 Tm 値 68 塩基数 26mer プライマー配列列がゲノム内でユニーク プライマー設計位置に SNP が無い ロング PCR 産物の 長さ 10kb- 20kb (DNA の質にもよる ) GC% が低い領領域では Tm68 にするためにプライマー 長が 30mer を超えてしまう

12 PCR 増幅の 比較 ( プライマーが 長い場合 ) ステップダウン 2 ステップ 12.2kb M PCR サイクル条件を変更更

13 ステップダウン PCR ( プライマーが 長い場合 ) DNA(20ng) 0.5 μl 5 x Buffer 2 μl dntp Mixture 0.8 μl Primer F 5uM 0.4 μl Primer R 5uM 0.4 μl PrimeSTAR GXL 0.4 μl H 2 O 5.5 μl total 10.0 μl 94 o C 2 min 98 o C 10 sec 74 o C 5 min 98 o C 10 sec 72 o C 5 min 98 o C 10 sec 70 o C 5 min 98 o C 10 sec 68 o C 5 min 4 o C 5cycles 5cycles 5cycles 20cycles 増幅 長約 20kb の場合は 10min

14 Nextera DNA Sample Preparation Kit によるライブラリ調整 Nextera transposome とアダプターのテンプレート DNA への結合 断 片化とアダプターの結合 (Tagmentation) 最 大 96 サンプル のマルチプレックス PCR による Index と アダプター配列列の追加 PCR 産物 10 ng Library length : 500bp ~ >1.2kb 90 分

15 Nextera kit によるライブラリー調整 ( 標準プロトコール ) ロング PCR 増幅 Tagmentation 精製 Zymo- Spin1-96plate ライブラリーの PCR 増幅 精製 AMPure XP bead PCR 産物 (50ng) 20ul TD 25ul TDE1 5ul Index1 primer 5ul Index2 primer 5ul NPM 15ul PPC 5ul Tagmentation DNA 20ul 55 o C 5min 10 o C 72 o C 3min 98 o C 30sec 98 o C 10sec 63 o C 30sec 5cycles 72 o C 3min 10 o C

16 Nextera kit によるライブラリー調整 (1/5 量量プロトコール ) ロング PCR 増幅 Tagmentation 精製 Zymo- Spin1-96plate ライブラリーの PCR 増幅 精製 AMPure XP bead PCR 産物 (10ng) 4ul TD 5ul TDE1 1ul Index1 primer 1ul Index2 primer 1ul NPM 3ul PPC 1ul Tagmentation DNA 4ul 55 o C 5min 10 o C 72 o C 3min 98 o C 30sec 98 o C 10sec 63 o C 30sec 7cycles 72 o C 3min 10 o C

17 Nextera ライブラリ 長の最適化 使 用する PCR 産物の量量により Nextera ライブラリーの 長さが異異なるため実験デザインに応じた条件を決定 51bp インサート 長 47bp 断 片 長 Index primer 1 (i7) 39bp + 8bp 5 CAAGCAGAAGACGGCATACGAGAT[i7]GTCTCGTGGGCTCGG Index primer 2 (i5) 43bp + 8bp 5 AATGATACGGCGACCACCGAGATCTACAC[i5]TCGTCGGCAGCGTC 断 片 長 - 98bp = インサート 長

18 GC 含量量の 高い遺伝 子 Low depth Low depth ex7 ex6 ex5 ex4 ex3 ex2 ex1 CCCCTCTGCCCCACCCACCCCCAGACCCGCCACCCCACCCAC 78.6% GC GC contents (%) (A) (B)

19 Nextera kit によるライブラリー調整 ( 高 GC% プロトコール ) ロング PCR 増幅 Tagmentation 精製 Zymo- Spin1-96plate ライブラリーの PCR 増幅 精製 AMPure XP bead PCR 産物 (10ng) 4ul TD 5ul TDE1 1ul Index1 primer 1ul Index2 primer 1ul 2 Kapa HiFi HS RM 5ul PPC 1ul Tagmentation DNA 2ul 55 o C 5min 10 o C 72 o C 3min 98 o C 30sec 98 o C 10sec 63 o C 30sec 7cycles 72 o C 3min 10 o C

20 GC 含量量の 高い遺伝 子 Nextera KAPA LA Kit (A) PCR 酵素 KAPA BIOSYSTEMS KAPA Library Amplification Kit KAPA BIOSYSTEMS Kapa HiFi Hotstart mastermix (B) KK2611 KK2602 など

21 100kb 以上の遺伝 子の PCR 増幅例例 M M 10.2kb (kb) 162,312 bp ライブラリー作成 各 PCR 産物を等量量プール

22 プールしたライブラリーの MiSeq によるラン

23 シーケンスの評価と原因候補変異異の検出 ( 例例 ) アライメントされた read 数 : 211,479 アライメントされた read の割合 : 84.64% 平均 depth : 平均カバレッジ % : 94.79% Muta3ons Case (n=85) Japanese (n=127) 1000G PhyloP GERP++ SIFT PolyPhen2 c.c3784t p.r1262w c.t3216a p.n1072k c.a3029g p.e1010g c.a2713t p.m905l

24 long- range PCR Nextera 解析 ~ HLA 遺伝 子の解析 ~ 1. HLA 遺伝 子シーケンスの意義 2. PCR からシーケンス 3. 物理理的情報に基づく相の決定 4. HLA 遺伝 子解析パイプライン Hosomichi K et al. BMC Genomics PMID:

25 HLA とは HLA(Human Leukocyte Antigen = ヒト 白 血球抗原 ) 1954 年年 白 血球の 血液型として発 見見 組織適合性抗原 (MHC; Major Histocompatibility Complex) ヒトに関しては MHC = HLA

26 HLA 領領域のゲノム配列列 6p21 Shiina T et al HLA 領領域の特徴 252 の遺伝 子 6 つの古典的 HLA 遺伝 子と少なくとも 132 のタンパク質をコードする遺伝 子を含む 極めて 高度度な多型性を 示す 100 以上の疾患および薬剤副作 用と関連する

27 MHC クラス I HLA- A, - C, - B など 内在抗原提 示 細胞性免疫 MHC 分 子 SP α1 α2 α3 TM CY 5ʼ UTR ex ʼ UTR HLA クラス I 分 子 α2 α3 TM CY α1 β2mg MHC クラス II α 鎖遺伝 子 HLA- DRA1, - DQA1など β 鎖遺伝 子 HLA- DRB1, - DQB1, - DPB1など 外来性抗原提 示 液性免疫 SP α1 α2 TM/CY ex ʼ UTR SP β1 β2 TM CY ex ʼ UTR HLA クラス II 分 子 β1 α1 β2 α2 TM CY

28 HLA アレルの命名法

29 HLA クラス I α1 および α2 ドメインの 多様性 5 amino acids 3 α2 α3 3 3 pep3de α1 β2μ 日本 人で頻度度の 高い HLA- B アレル 5 種間 アミノ酸配列列での類似性 : 88.9% 塩基配列列での類似性 : 93.9% TM CY HLA class I

30 IMGT/HLA データベースに登録されている HLA アレル数 Numbers of HLA Alleles HLA Class I Alleles 7,089 HLA Class II Alleles 2,065 HLA Alleles 9,154 HLA Class I Gene A B C Alleles 2,244 2,934 1,788 Proteins 1,612 2,211 1,280 Nulls HLA Class II Gene DRB DQB1 DPB1 Alleles 1, Proteins 1, Nulls IMGT/HLA database Version Report ( )

31 現 行行のHLAタイピング法 PCR- SBT (sequencing based typing) 5 UTR ex1 ex2 ex3 ex4 ex5 ex6 ex7 ex8 3 UTR シーケンス PCR 増幅 HLA アレルの推定 複数の組み合わせ候補 CombinaZon 1 B*07:021 + B*35:011 CombinaZon 2 B*07:18 + B*35:05 CombinaZon 3 B*07:09 + B*35:34 CombinaZon 4 B*07:24 + B*35:15 Ambiguity

32 HLA 遺伝 子のロング PCR HLA-A HLA-C HLA-B HLA-DRB1 HLA-DQB1 HLA-DPB1 Locus length (bp) HLA- A 3,398 HLA- C 4,296 HLA- B 4,440 HLA- DRB1 11,899 HLA- DQB1 7,118 HLA- DPB1 13,605 HLA- M A C B DRB1 DQB1 DPB1

33 Nextera と MiSeq による HLA 遺伝 子のシーケンシング PCR 増幅 locus Length (bp) HLA- A 3,398 HLA- B 4,296 HLA- C 4,440 HLA- DRB1 11,899 HLA- DQB1 7,118 HLA- DPB1 13,605 ライブラリ調整 Nextera DNA Sample PreparaZon Kit (illumina) シーケンシング MiSeq v2 (illumina) Read length 2 x 250 bp Output Gb Total Zme 39 hr データ解析

34 HLA 遺伝 子配列列決定の概要 Sequence reads Alignment SNVs HLA-B Diplotype sequence ATG TAC 250bp 600bp CAA TTG CAA TTG 800bp TAC AGG TAC AGG 1000bp T C

35 HLA- B エクソン 2 および 3 maximum differences = 80 in the read(250bp) Heterozygous SNVs

36 HLA 遺伝 子配列列決定の概要 Sequence reads Alignment SNVs HLA-B Diplotype sequence ATG TAC 250bp 600bp CAA TTG CAA TTG 800bp TAC AGG TAC AGG 1000bp T C

37 HLA 遺伝 子配列列決定の概要 Sequence reads Alignment SNVs HLA-B Diplotype sequence ATG TAC 250bp 600bp CAA CAA TTG TTG 800bp TAC TAC AGG AGG 1000bp T C

38 Nextera DNA ライブラリのサイズ選択 Agarose gel size selec3on

39 HLA 遺伝 子配列列決定の概要 Sequence reads Alignment SNVs HLA-B Diplotype sequence ATG TAC 250bp 600bp CAA CAA TTG TTG 800bp TAC TAC AGG AGG 1000bp T C

40 HLA 遺伝 子配列列決定の概要 Sequence reads Alignment SNVs HLA-B Haplotype sequences ATG TAC CAA TTG TAC AGG T C 250bp 600bp 800bp 1000bp

41 相を特定した2つのHLA 遺伝 子配列列の アライメントの構築 Alignment Sequence reads SNVs Aligned sequence Construc3ng phased alignments ATG TAC CAA CAA TTG TTG TAC TAC AGG AGG T C HLA haplotype sequence 1 HLA haplotype sequence 2

42 ハプロタイプに分類したアライメント HLA- B ex7 ex6 ex5 ex4 ex3 ex2 ex1 Before phasing Phased haplotype 1 Phased haplotype 2

43 HLA ハプロタイプシーケンス決定のワークフロー hg19 reference Paired- read fastq maximum differences = 80 Alignment to HLA gene sequence of hg19 reference BWA, Samtools, Picard bam ファイル Detect SNVs and Indels UnifiedGenotyper in GATK vcf ファイル Phase haplotype using heterozygous SNVs on PE reads Perl script 独 自フォーマット SNV テーブル Divide alignment into two phased one as haplotype Perl script 2 つの sam ファイル Create consensus sequence FastaAlternateReferenceMaker in GATK, Perl script fasta ファイル Haplotype sequence

44 決定した HLA 遺伝 子完全配列列の HLA アレル決定 HLA haplotype sequence 1 HLA haplotype sequence 2 BLAT による検索索 IMGT/HLA データベース 一部のエクソン 遺伝 子全 長 CDS 配列列 HLA アレル の決定 B*07:02:01 HLA アレルを決定することよりも HLA 遺伝 子の塩基配列列を完全に決定することが本質

45 決定した HLA 遺伝 子配列列 Sample ID PCR- SSO Next- gen SBT Average read depth (allele1 / allele2) Determined sequence (%) (allele1 / allele2) 1 B*51:01:01 B*15:02 B*51:01:01 B*15:02: / / B*07:02:01 B*15:02 B*07:02:01 B*15:02: / / B*35:01:01 B*15:02 B*35:01:01:01 B*15:02: / / B*15:21 B*15:02:01 B*15:21 B*15:02: / / B*35:05 B*15:02:01 B*35:05:01 B*15:02: / / B*15:18 B*15:02 B*15:18:01 B*15:02: / / B*40:06:01:01 B*15:02 B*40:06:01:01 B*15:02: / / B*52:01:01 B*15:02 B*52:01:01:01 B*15:02: / / B*15:01:01:01 B*57:01:01 B*15:01:01:01 B*57:01: / / B*54:01 B*57:01:01 B*54:01:01 B*57:01: / / B*40:06:01:01 B*57:01:01 B*40:06:01:01 B*57:01: / / B*15:11:01 B*57:01:01 B*15:11:01 B*57:01: / / B*15:01:01:01 B*57:01:01 B*15:01:01:01 B*57:01: / / B*44:03:01 B*57:01:01 B*44:03:01 B*57:01: / / B*55:07 B*58:01 B*55:07 B*58:01: / / B*38:01:01 B*58:01 B*38:01:01 B*58:01: / / B*48:01:01 B*58:01 B*48:01:01 B*58:01: / / B*35:01:01 B*58:01:01 B*35:01:01:01 B*58:01: / / B*15:25:01 B*58:01:01 B*15:25:01 B*58:01: / / B*54:01 B*58:01:01 B*54:01:01 B*58:01: / / B*51:02:01 B*58:01:01 B*51:02:01 B*58:01: / / B*51:01:01 B*58:01:01 B*51:01:01 B*58:01: / / B*51:02:01 B*58:01:01 B*51:02:02 B*58:01: / / B*39:23 B*58:01:01 B*39:23 B*58:01: / / 100

46 決定した HLA 遺伝 子配列列 Sample ID PCR- SSO Next- gen SBT Average read depth (allele1 / allele2) Determined sequence (%) (allele1 / allele2) 1 B*51:01:01 B*15:02 B*51:01:01 B*15:02: / / B*07:02:01 B*15:02 B*07:02:01 B*15:02: / / B*35:01:01 B*15:02 B*35:01:01:01 B*15:02: / / B*15:21 B*15:02:01 B*15:21 B*15:02: / / B*35:05 B*15:02:01 B*35:05:01 B*15:02: / / B*15:18 B*15:02 B*15:18:01 B*15:02: / / B*40:06:01:01 B*15:02 B*40:06:01:01 B*15:02: / / B*52:01:01 B*15:02 B*52:01:01:01 B*15:02: / / B*15:01:01:01 B*57:01:01 B*15:01:01:01 B*57:01: / / B*54:01 B*57:01:01 B*54:01:01 B*57:01: / / B*40:06:01:01 B*57:01:01 B*40:06:01:01 B*57:01: / / B*15:11:01 B*57:01:01 B*15:11:01 B*57:01: / / B*15:01:01:01 B*57:01:01 B*15:01:01:01 B*57:01: / / B*44:03:01 B*57:01:01 B*44:03:01 B*57:01: / / B*55:07 B*58:01 B*55:07 B*58:01: / / B*38:01:01 B*58:01 B*38:01:01 B*58:01: / / B*48:01:01 B*58:01 B*48:01:01 B*58:01: / / B*35:01:01 B*58:01:01 B*35:01:01:01 B*58:01: / / B*15:25:01 B*58:01:01 B*15:25:01 B*58:01: / / B*54:01 B*58:01:01 B*54:01:01 B*58:01: / / B*51:02:01 B*58:01:01 B*51:02:01 B*58:01: / / B*51:01:01 B*58:01:01 B*51:01:01 B*58:01: / / B*51:02:01 B*58:01:01 B*51:02:01 B*58:01: / / B*39:23 B*58:01:01 B*39:23 B*58:01: / / 100

47 ハプロタイプに分類したアライメント HLA- B ex7 ex6 ex5 ex4 ex3 ex2 ex1 Before phasing Phased haplotype 1 Phased haplotype 2

48 決定した HLA 遺伝 子配列列 Sample ID PCR- SSO Next- gen SBT Average read depth (allele1 / allele2) Determined sequence (%) (allele1 / allele2) 1 B*51:01:01 B*15:02 B*51:01:01 B*15:02: / / B*07:02:01 B*15:02 B*07:02:01 B*15:02: / / B*35:01:01 B*15:02 B*35:01:01:01 B*15:02: / / B*15:21 B*15:02:01 B*15:21 B*15:02: / / B*35:05 B*15:02:01 B*35:05:01 B*15:02: / / B*15:18 B*15:02 B*15:18:01 B*15:02: / / B*40:06:01:01 B*15:02 B*40:06:01:01 B*15:02: / / B*52:01:01 B*15:02 B*52:01:01:01 B*15:02: / / B*15:01:01:01 B*57:01:01 B*15:01:01:01 B*57:01: / / B*54:01 B*57:01:01 B*54:01:01 B*57:01: / / B*40:06:01:01 B*57:01:01 B*40:06:01:01 B*57:01: / / B*15:11:01 B*57:01:01 B*15:11:01 B*57:01: / / B*15:01:01:01 B*57:01:01 B*15:01:01:01 B*57:01: / / B*44:03:01 B*57:01:01 B*44:03:01 B*57:01: / / B*55:07 B*58:01 B*55:07 B*58:01: / / B*38:01:01 B*58:01 B*38:01:01 B*58:01: / / B*48:01:01 B*58:01 B*48:01:01 B*58:01: / / B*35:01:01 B*58:01:01 B*35:01:01:01 B*58:01: / / B*15:25:01 B*58:01:01 B*15:25:01 B*58:01: / / B*54:01 B*58:01:01 B*54:01:01 B*58:01: / / B*51:02:01 B*58:01:01 B*51:02:01 B*58:01: / / B*51:01:01 B*58:01:01 B*51:01:01 B*58:01: / / B*51:02:01 B*58:01:01 B*51:02:01 B*58:01: / / B*39:23 B*58:01:01 B*39:23 B*58:01: / / 100

49 HLA- B*58:01 の塩基配列列の 比較 HLA- B ex7 ex6 ex5 ex4 ex3 ex2 ex1

50 HLA 解析ツール (1) p- galaxy hdp://p- galaxy.ddbj.nig.ac.jp

51 DDBJ パイプラインの詳細

52 HLA 解析ツール (2)

53 HLA 解析パイプライン

54 HLA 解析パイプライン

55 HLA 解析パイプライン

56 HLA 解析パイプライン

57 ご質問等は までご連絡ください

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