本方案描述了一种快速且广泛适用的方法,用于对来自人类临床分离物的病毒样本进行无偏倚的RNA测序。
本方案描述了一种快速且广泛适用的方法,用于对来自人类临床分离物的病毒样本进行无偏倚的RNA测序。
本文概述了一种能够实现下一代RNA测序的实验方案 从头合成 从临床和生物来源收集的病毒基因组的组装及宿主内变异检测。该方法具有无偏性和普适性,采用随机引物进行cDNA合成,无需预先了解病毒序列信息。在文库构建前,利用基于RNase H的选择性消化方法去除病毒RNA样本中不需要的RNA,包括聚(rA)载体和核糖体RNA。选择性去除可提高病毒RNA测序文库的数据质量和唯一读段数量。此外,本方案采用基于转座酶的“标签片段化”(tagmentation)步骤,可缩短文库构建的总体时间。该方案已成功实现对600多个拉沙病毒和埃博拉病毒样本(包括血液和组织分离物)的快速深度测序,且广泛适用于其他微生物基因组学研究。
来自临床样本的病毒下一代测序可用于研究感染的传播途径和流行病学特征,并有助于推动新型诊断方法、疫苗和治疗手段的研发。利用随机引物进行cDNA合成,已实现对差异较大、共感染或甚至 novel 病毒的基因组检测与组装1,2。与其他无偏倚方法一样,非目标污染物会占据大量测序读长,对测序结果产生负面影响。宿主核酸和聚(rA)载体RNA是现有许多病毒样本库中存在的主要污染物。
本方案描述了一种基于无偏倚的全RNA测序(total RNA-seq)技术高效且经济地对RNA病毒基因组进行深度测序的方法。该方法利用RNase H选择性去除步骤3,以清除不需要的宿主核糖体RNA和载体RNA。选择性去除可富集病毒序列内容(图1),并提升临床样本测序数据的整体质量(图2)。此外,本方案引入了标签化片段化(tagmentation)步骤,显著缩短了文库构建时间。这些方法已被用于快速生成埃博拉病毒和拉沙病毒基因组的大规模数据集2,4,5,并可广泛应用于多种RNA病毒的研究。最后,该方法不仅限于人类样本;已有研究在感染拉沙病毒的啮齿类动物及非人灵长类疾病模型的组织样本中验证了选择性去除策略的有效性5,6。

图1. 总RNA含量反映了通过选择性耗竭富集拉沙病毒(Lassa Virus, LASV)的效果。 对九个不同临床分离株进行rRNA耗竭前后,初始总RNA含量(RNA输入)及独特拉沙病毒(LASV)序列读数(文库含量)的变化情况。本图改编自6。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 2. 去除载体 RNA 后测序质量更高。来自质控报告13的受 poly(rA) 污染的拉沙病毒文库(红色)与对照文库(文库中未检测到载体,黑色)在每个测序循环中的中位碱基质量。双端测序的 Read 1 和 Read 2 已合并至文库 BAM 文件中,每个碱基位置的质量分数均显示于此。该图已根据文献6修改。请点击此处查看此图的放大版本。
病毒RNA测序方案详细描述了直接从临床和生物样本中提取的RNA构建文库的步骤。为确保个人安全,所有病毒血清、血浆和组织样本在进行RNA提取前,应先在适当的缓冲液中灭活。某些灭活和提取试剂盒中含有载体多聚(rA) RNA;该成分将在初始的RNase H选择性耗竭步骤中被去除。根据完全回收的预期,载体RNA的浓度为100 ng/µl。在本方案中,使用110 ng/µl的寡核苷酸dT RNA(即1.1倍载体浓度)进行耗竭。如果样本中不含多聚(rA)载体,则在耗竭前不应添加寡核苷酸(dT)。
以下方案适用于 24 个反应的 PCR 板格式(最多 250 µl 体积)。该方案的早期版本已在 Matranga 等人中报道。 等6.
伦理声明:拉沙热患者是根据杜兰大学、哈佛大学、布罗德研究所、尼日利亚伊瑞瓦专科教学医院(ISTH)、凯内马政府医院(KGH)、尼日利亚伊巴丹奥约州卫生部以及塞拉利昂卫生部人类受试者委员会批准的方案招募进入本研究的。所有患者均接受同等标准的治疗护理,并被提供抗病毒药物利巴韦林,无论其是否决定参与本研究。对于拉沙热(LF)患者,利巴韦林的治疗遵循目前推荐的治疗指南,通常在高度怀疑患有拉沙热后立即给予。
由于埃博拉病毒病(EVD)疫情严重暴发,无法通过我们的标准方案获得患者的知情同意。因此,使用在塞拉利昂和哈佛大学的机构审查委员会评估并批准的EVD患者临床剩余样本。塞拉利昂伦理与科学审查委员会办公室、塞拉利昂卫生与环境卫生部以及哈佛大学人类受试者使用委员会已批准豁免知情同意,允许对在塞拉利昂埃博拉疫情中采集的患者及密切接触者样本中获得的病毒序列进行测序并公开发布。这些机构还批准使用在疫情应对期间接受治疗的所有疑似EVD患者所采集的去标识化样本的临床和流行病学数据。塞拉利昂卫生与环境卫生部还批准将非传染性、非生物性样本从塞拉利昂运往布罗德研究所和哈佛大学,用于疫情样本的基因组研究。
1. 样品RNA的DNase处理(最多55 µl提取的总RNA,约4小时)
2. 从病毒RNA样本中选择性去除核糖体RNA和载体RNA(约4小时)
3. cDNA 合成(约 6 小时)
4. 文库制备——DNA文库构建(约4小时)

图3. 从埃博拉病毒临床样本构建的文库。 4个代表性埃博拉病毒(EBOV)文库的凝胶图像。图中显示了文库片段和引物二聚体的区域。 请点击此处查看该图的放大版本。
本方案能够从低起始量的病毒RNA样本中生成高质量的测序读段,同时富集独特的病毒序列内容。如图1所示,在所有样本中(与未去除的对照相比),该方案对拉沙病毒独特序列的富集倍数至少达到五倍,即使样本中仅含有约一百万个18S rRNA拷贝(约100 pg总RNA)。同样,测序成功率也与特定样本中的病毒含量呈正相关。以qRT-PCR作为病毒量的替代指标,含有约1,000个或更多病毒基因组拷贝的样本通常能够完成完整的基因组组装(数据未显示)。此外,去除聚(rA)载体可减少文库中A和T的同聚物序列,从而获得更洁净的文库制备产物,并确保更高质量的测序读段(图2)。来自低起始量病毒临床样本的最终文库,其片段长度通常较宽,范围在150至1,000 bp之间(图3)。
测序完成后,为降低样本误识别以及文库池中各文库之间的交叉干扰12,仅保留去复用过程中索引读段碱基质量分数为25(q25)且无任何错配的读段。病毒基因组的组装采用专为高度变异病毒设计的生物信息学分析流程2,4-6。这些工具可通过 https://github.com/broadinstitute/viral-ngs 获取,或通过商业云平台获得4。
| 步骤 1.1:DNase 反应 | |
| 试剂 | 每反应体积(µl) |
| 10x DNase 缓冲液 | 7 |
| 无核酸酶水 | 6 |
| 提取的病毒RNA | 55 |
| DNase(2 U/µl) | 2 |
| 总体积 | 70 |
| 步骤 2.1:5× 杂交缓冲液 | |
| 试剂 | 1 ml 体积(µl) |
| 5 M NaCl | 200 |
| 1 M Tris-HCl (pH 7.4) | 500 |
| 无核酸酶水 | 300 |
| 总体积 | 1,000 |
| 第2.1步:10x RNase H反应缓冲液 | |
| 试剂 | 1 ml 体积(µl) |
| 5 M NaCl | 200 |
| 1 M Tris-HCl(pH 7.5) | 500 |
| 1 M MgCl2 | 200 |
| 无核酸酶水 | 500 |
| 总体积 | 1,000 |
| 第2.1步:含线性丙烯酰胺的水 | |
| 试剂 | 1 ml 缓冲液的体积(µl) |
| 无核酸酶水 | 992 |
| 线性丙烯酰胺(5 mg/ml) | 8 |
| 总体积 | 1,000 |
| 步骤 2.2:用于选择性去除的杂交反应 | |
| 试剂 | 每反应体积(µl) |
| 5x 杂交缓冲液 | 2 |
| rRNA 耗竭寡核苷酸混合物(100 µM) | 1.22 |
| Oligo(dT)(550 ng/μL)µl) | 1 |
| 经DNase处理的总RNA | 最多 5 |
| 外源添加的RNA(可选) | 0.5 |
| 水(含线性丙烯酰胺) | 加至总体积 10 |
| 总体积 | 10 |
| 第2.3步:用于选择性去除的RNase H反应 | |
| 试剂 | 每反应体积(µl) |
| 10x RNase H反应缓冲液 | 2 |
| 水(含线性丙烯酰胺) | 5 |
| 耐热RNase H(5 U/µl) | 3 |
| 总体积 | 10 |
| 步骤 2.4:选择性耗竭后的 DNase 反应 | |
| 试剂 | 每反应体积(µl) |
| 10x DNase 缓冲液 | 7.5 |
| 水(含线性丙烯酰胺) | 44.5 |
| RNase 抑制剂(20 U/µl) | 1 |
| RNase-free DNase I (2.72 U/µl) | 2 |
| 总反应体积(含 RNase H 反应) | 75 |
| 步骤 3.1: cDNA合成,随机引物杂交 | |
| 试剂 | 每反应体积(µl) |
| 去除rRNA/载体的RNA | 10 |
| 3 µg 随机引物 | 1 |
| 总体积 | 11 |
| 第3.2步:第一链cDNA合成反应 | |
| 试剂 | 体积µl) |
| 5x 第一链反应缓冲液 | 4 |
| 0.1 M DTT | 2 |
| 10 mM dNTP 混合液 | 1 |
| RNase 抑制剂(20 U/µl) | 1 |
| 逆转录酶(最后添加) | 1 |
| 总体积(含上述 RNA) | 20 |
| 步骤 3.3:第二链 cDNA 合成反应 | |
| 试剂 | 体积µl) |
| 无RNase水 | 43 |
| 10x 第二链反应缓冲液 | 8 |
| 10 mM dNTP 混合液 | 3 |
| E. coli DNA连接酶(10 U/μL)µl) | 1 |
| E. coli DNA聚合酶I(10 U/µl) | 4 |
| E. coli RNase H(2 U/μL)µl) | 1 |
| 总体积(含1st 链反应 | 80 |
| 步骤 4.2: 标签化反应 | |
| 试剂 | 体积µl) |
| 扩增子片段化混合液(ATM) | 1 |
| Tagment DNA 缓冲液(TD) | 5 |
| 总体积(含 cDNA) | 10 |
| 第4.3步:文库PCR反应 | |
| 试剂 | 体积µl) |
| PCR预混液(NPM) | 7.5 |
| Index 1 引物(i7) | 2.5 |
| Index 2 引物(i5) | 2.5 |
| 总反应体积(含经标签化处理的cDNA) | 25 |
| 第4.3.2步:文库PCR反应条件 | |
| 72 °C,3 分钟 | |
| 95 °C,30秒 | |
| 最多18个循环——95℃下10秒 °C,55℃下30秒 °C,72℃下30秒 °C | |
| 72 °C,5 分钟 | |
| 10 °C,永远 | |
表1:反应体系设置与缓冲液。 包含所有缓冲液和反应混合物成分的逐步说明表格。
| 引物名称 | 序列 (5' 至 3') |
| Ebola KGH FW | GTCGTTCCAACAATCGAGCG |
| Ebola KGH RV | CGTCCCGTAGCTTTRGCCAT |
| Ebola KULESH FW | TCTGACATGGATTACCACAAGATC |
| Ebola KULESH RV | GGATGACTCTTTGCCGAACAATC |
| Lassa SL FW | GTA AGC CCA GCD GYA AAB CC |
| Lassa SL RV | AAG CCA CAG AAA RCT GGS AGC A |
| 18S rRNA FW | TCCTTTAACGAGGATCCATTGG |
| 18S rRNA RV | CGAGCTTTTTAACTGCAGCAACT |
表2:qRT-PCR引物序列。 用于检测宿主(18S rRNA)和病毒(埃博拉病毒和拉沙病毒)含量的引物。“KGH”指塞拉利昂的凯内马政府医院,埃博拉病毒引物在此进行了测试2。“Kulesh”为设计该引物组的研究人员14。
表3:核糖体RNA(rRNA)去除寡核苷酸。195条长度为50个核苷酸 、与人类rRNA互补的序列,用于选择性去除步骤6。请点击此处下载该文件。
该方案具有稳健性、通用性和快速测序的特点,在2014年埃博拉病毒暴发期间已被用于病毒测序2,4。通过将选择性耗竭和cDNA合成与基于标签片段化(tagmentation)的文库构建相结合,整体流程时间比此前的接头连接方法缩短了约2天。最近,该方案已被国际合作者及其他研究团队成功应用15,16,并将被推广至西非的实验室,以支持当地的基因组学研究和诊断工作17。
本方案采用随机引物制备用于病毒RNA测序文库的cDNA。与以往的病毒RNA测序方法不同,该方法无需预先了解序列信息,也无需针对特定病毒或进化枝设计复杂且耗时的引物。该方法可应用于任何病毒RNA样本。例如,该方法已成功用于埃博拉病毒和拉沙病毒样本的病毒组分分析6。此外,该方案也可用于宿主转录组、宏基因组及病原体发现测序项目1。
该实验方案的关键步骤是靶向RNase H消化,这是一种高通量、低成本的方法,用于从病毒样本中去除不需要的载体和宿主RNA。方案中的选择性耗竭步骤涉及多种组分,需要较高的操作技巧和准确性。在初始设置阶段应额外投入时间并谨慎操作。
由于大多数临床血清和血浆样本中的核酸物质含量极低,污染和样本损失较为常见。为避免这些问题,在使用本方案时应格外谨慎。首先,RNA极易降解,因此所有操作区域应保持清洁且无核酸酶。其次,为筛选适用于本方案的样本,应采用针对宿主RNA和病毒的qRT-PCR检测进行定量5,6。在将输入量与本方案的测序结果进行比较时发现,测序成功(即 获得足够数据以完成病毒全基因组组装)与样本中总RNA含量至少达到100 pg且病毒拷贝数至少为1,000相关。第三,应避免样本接触环境中外源性核酸来源。此处所述方案应在生物安全柜中进行,以确保操作安全并减少环境污染物的引入。此外,我们课题组及其他研究团队已注意到,商用酶类可能是低输入样本中污染性细菌核酸的另一来源6,18。使用洁净的工作空间(例如,PCR操作台、生物安全柜)以及设置阴性对照(例如,水或缓冲液)将分别有助于减轻污染并追踪污染来源。对于总RNA含量<100 pg的样本,仅应去除poly(rA)载体RNA,而不应去除rRNA,以确保获得高质量的测序结果,同时尽量减少样本损失。对于输入量极低的样本,cDNA扩增方法可能更为适用19,但应在cDNA合成前去除poly(rA)载体。
去除宿主rRNA可富集测序文库中的病毒成分,适用于多种样本类型,包括血清或血浆,以及啮齿类动物和非人灵长类动物的多种组织5,6。在非人生物中,去除后仍存在比对到28S rRNA的读长,表明28S rRNA在人类与其他物种之间保守性较低6,20。当将该方法用于非人来源的样本时,可能需要补充针对特定宿主差异性rRNA序列的DNA寡核苷酸3,21。
由于该实验方案无偏向性,病毒序列读长可能仅占文库总内容的一小部分。尽管核糖体RNA(rRNA)是宿主RNA中最丰富的种类,且rRNA读长仅有一小部分被保留(<1%)在选择性去除后仍存在,所有其他宿主RNA(例如,mRNA)在耗尽后仍会残留,并可能导致样本中产生大量测序读段。因此 "过采样" (即为了获得足够的测序深度以进行病毒基因组组装和变异位点检测,需要对单个文库进行高通量测序(oversequencing)。在我们的研究中,每个样本力求测定约2000万条读长,以确保对病毒基因组及其相关变异和宏基因组内容的分析具有足够的测序深度。2,5在宏基因组学和病原体发现研究中,需要注意的是,污染性的宿主DNA会通过DNase消化被去除。因此,含有DNA基因组的病毒及其他病原体可能在此过程中丢失,但其RNA中间产物仍可能被测序。
作者无竞争性财务利益。
本工作部分由美国国立卫生研究院主任办公室创新奖(编号:DP2OD06514)(PCS)的联邦资金资助,以及由美国卫生与公共服务部下属的美国国立卫生研究院过敏与传染病研究所根据合同(编号:HHSN272200900018C、HHSN272200900049C 和 U19AI110818)提供资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 96孔PCR板 | VWR | 47743-953 | |
| 八联管盖条 | VWR | 47745-512 | |
| 无核酸酶水 | Ambion | AM9937 | 50 ml 瓶装 |
| TURBO DNase | Ambion | AM2238 | RNA提取后步骤,2 U/µl,含缓冲液 |
| PCR仪 | 任意PCR仪 | ||
| Agencourt RNAClean XP SPRI磁珠 | Beckman Coulter Genomics | A63987 | 用于RNA纯化的磁珠 |
| 实时定量PCR系统 | 任意系统 | ||
| DynaMag-96侧裙磁板 | Invitrogen | 12027 | |
| 70%乙醇 | 现配 | ||
| qRT-PCR引物 | IDT DNA | 见 表2 | |
| 5 M NaCl | Ambion | AM9760G | |
| 1 M Tris-HCl pH 7.4 | Sigma | T2663-1L | |
| 1 M Tris-HCl pH 7.5 | Invitrogen | 15567-027 | |
| 1 M MgCl2 | Ambion | AM9530G | |
| 线性聚丙烯酰胺 | Ambion | AM9520 | |
| 覆盖完整rRNA区域的DNA寡核苷酸 | IDT DNA | 见 表3,订购实验室就绪型,浓度为100 µM | |
| Oligo (dT) | IDT DNA | 40 nt 长,脱盐处理 | |
| Hybridase耐热RNase H | Epicentre | H39100 | |
| 无RNase的DNase试剂盒 | Qiagen | 79254 | 选择性去除步骤后使用 |
| SUPERase-In RNase抑制剂 | Ambion | AM2694 | |
| 随机引物 | Invitrogen | 48190-011 | 主要为六聚体 |
| 10 mM dNTP混合液 | New England Biolabs | N0447L | |
| SuperScript III反转录酶 | Invitrogen | 18080-093 | 含第一链合成缓冲液、DTT |
| 空气孵育仪 | 任意空气孵育仪 | ||
| NEBNext第二链合成(无dNTP)反应缓冲液 | New England Biolabs | B6117S | 10x |
| E. coli DNA连接酶 | New England Biolabs | M0205L | 10 U/μl |
| E. coli DNA聚合酶I | New England Biolabs | M0209L | 10 U/μl |
| E. coli RNase H | New England Biolabs | M0297L | 2 U/μl |
| 0.5 M EDTA | Ambion | AM9261 | |
| Agencourt AMPure XP SPRI磁珠 | Beckman Coulter Genomics | A63881 | 用于DNA纯化的磁珠 |
| 洗脱缓冲液 | Qiagen | 10 mM Tris HCl,pH 8.5 | |
| Quant-iT dsDNA HS检测试剂盒 | Invitrogen | Q32854 | |
| Qubit荧光计 | Invitrogen | Q32857 | |
| Nextera XT DNA样本制备试剂盒 | Illumina | FC-131-1096 | |
| Nextera XT DNA索引试剂盒 | Illumina | FC-131-1001 | |
| Tapestation 2200 | Agilent | G2965AA | |
| 高灵敏度D1000试剂 | Agilent | 5067-5585 | |
| 高灵敏度D1000 ScreenTape | Agilent | 5067-5584 | |
| BioAnalyzer 2100 | Agilent | G2939AA | |
| 高灵敏度DNA试剂 | Agilent | 5067-4626 | |
| 文库定量完整试剂盒(通用型) | Kapa Biosystems | KK4824 | 可替代Tapestation或BioAnalyzer用于文库定量 |