本文介绍一种利用便携式纳米孔测序技术对选定的遗传标记进行快速鉴定和基因分型的方案,可实现对实验室保存的弓形虫(Toxoplasma gondii)菌株进行可扩展的靶向鉴定,并具备未来应用于监测场景的潜力。
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本文介绍一种利用便携式纳米孔测序技术对选定的遗传标记进行快速鉴定和基因分型的方案,可实现对实验室保存的弓形虫(Toxoplasma gondii)菌株进行可扩展的靶向鉴定,并具备未来应用于监测场景的潜力。
Toxoplasma gondii 是一种在全球范围内分布的顶复门寄生虫,具有显著的遗传多样性,因此需要准确的分子方法来进行菌株区分。本实验方案的目标是建立一个可重复的、针对培养的 T. gondii 分离株进行多位点基因分型的工作流程。该流程包括 I 型(RH)和 II 型(ME49)代表性菌株的 体外 增殖、基因组 DNA 提取、SAG2 和 SAG3 基因的位点特异性扩增,以及基于测序的分析,以检测单核苷酸多态性(SNPs)和插入/缺失(INDEL)事件。测序数据经处理后生成高置信度的共识序列,并进行比对分析,以鉴定菌株特异性的多态性。将该工作流程应用于典型菌株时,表现出高效的比对率、在目标位点间一致的测序深度,以及对预期扩增子大小的准确还原,证实了其在检测位点水平遗传变异方面的可靠性。尽管全面的基因型鉴定需要纳入更多标准化标记,本方案仍为实验室维持的 T. gondii 分离株提供了可扩展且可重复的靶向遗传特征分析框架,并支持一致的多位点序列分析。
Toxoplasma gondii 是一种全球分布的顶复门寄生虫,也是主要的食源性和水源性人畜共患疾病威胁,几乎可以感染所有温血动物,其中猫科动物为其终末宿主1。人类和动物通常通过摄入组织包囊或孢子化卵囊而感染;该寄生虫能够在速殖子和缓殖子阶段之间相互转换,从而长期存在于神经和肌肉组织中,导致肉类传播和环境传播2,3。
尽管三种克隆系(I型、II型和III型)在欧洲和北美占主导地位,但全球范围内已记录到广泛的遗传多样性,特别是在具有丰富野生动物宿主的地区,存在大量非典型和重组株系4。因此,准确的虫株鉴别对于阐明传播动态、调查暴发疫情以及理解区域流行病学至关重要。传统的基因分型方法,如PCR-RFLP、基于Sanger测序的多位点序列分型(MLST)和微卫星分析,已在解析T. gondii种群结构方面发挥了重要作用,但其分辨率、通量以及检测基因型内变异的能力有限。这些方法通常需要进行多个独立的反应,且可能无法检测到多态性位点内的插入、缺失或复杂单倍型1。短读长的高通量测序(NGS)提高了对稀有变异的检出能力,但在识别复杂的结构变异方面仍存在局限性4。
长读长测序平台,尤其是牛津纳米孔技术(Oxford Nanopore Technologies),现已能够生成连续的高精度读段,适用于解析结构变异和高度多态性位点5。其便携性、实时分析能力以及与基于扩增子的工作流程的兼容性,使其成为现场应用和疫情调查中极具前景的工具6。尽管具有这些优势,目前仍缺乏用于常规T. gondii基因分型的标准化多基因座长读长工作流程。
为弥补这一不足,我们建立了一种可扩展的长读长扩增子测序工作流程,靶向两个多态性位点(图1)。结合一致性校正和变异检测分析流程,该方法能够准确检测单核苷酸多态性(SNPs)和插入缺失突变(INDELs),实现菌株水平的区分。本方案适用于具备PCR扩增和长读长测序能力的实验室,并已使用培养分离株进行了验证。尽管该方法可能适用于临床原始样本或环境样本,但此类应用需要进一步优化和验证。总体而言,该工作流程为靶向分子表征提供了系统化的框架,有望支持流行病学调查研究。
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本研究使用了已建立的实验室寄生虫菌株和商业获取的人成纤维细胞系。未直接涉及人类或动物受试者。
注意:除非另有说明,本方案中使用的缓冲液和试剂均来自 材料表 中列出的商业试剂盒。
1. 生物标志物选择
2. 培养与收获 弓形虫(Toxoplasma gondii) 速殖子
3. 基因组DNA提取与扩增子生成
4. 长读长测序文库的制备
5. 流通池制备与纳米孔测序
6. 数据处理与变异分析
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通过针对两个遗传标记 SAG2 和 SAG3 的聚合酶链式反应(PCR),成功扩增了Toxoplasma gondii的基因组DNA(图2)。经纯化后,PCR产物在琼脂糖凝胶电泳中显示出预期大小的清晰条带,分别对应于639 bp(SAG2)和1158 bp(SAG3)。这些条带的清晰度和一致性证实了目标基因片段的成功扩增及其完整性,可用于后续的序列分析。
高通量纳米孔测序在Toxoplasma gondii的RH和ME49株系所检测的各个位点均产生了高质量的数据集(表1)。对于SAG2位点,ME49株系的测序共获得1,499条读长,总计849,707个碱基,平均读长为553.8 bp,平均质量值为Q13.6(碱基准确率为95.6%)。仅有8条读长未能比对,最终获得的共识序列长度为635 bp,与预期基因大小高度一致。同样,RH株系产生了1,005条读长(556,55...
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本研究展示了牛津纳米孔长读长测序技术结合靶向多位点方法在Toxoplasma gondii快速且可靠基因分型中的应用价值。通过聚焦于两个特征明确的表面抗原位点SAG2和SAG3,我们通过对RH(I型)和ME49(II型)菌株的比较分析,验证了基于牛津纳米孔技术的多位点测序的可行性,证明了该平台解析菌株特异性遗传变异的能力。
两个位点的PCR扩增均产生了清晰、界限分明的条带,大小符合预期,证实已成功获得高质量的模板DNA,适用于后续基因组分析。随后的纳米孔测序获得了较高的测序深度、良好的比对效率,且一致性序列与预期扩增子长度高度匹配6。这些结果凸显了纳米孔测序在基于扩增子的应用中的可靠性,与先前报道一致9,10,证明其在靶向多位点序列分型(MLST)和病原体基因分型工作流程中具有高准确性11。
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作者声明无任何利益冲突。
本工作由埃及高等教育部资助 & 科学研究,由埃及文化局代表 & 伦敦教育事务处以及英国研究与创新署医学研究理事会(MR/X502947/1)。图1使用BioRender.com制作
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 琼脂糖粉末 | Thermo Fisher Scientific | 16500100 | 用于凝胶电泳 |
| Dulbecco’s 修饰 Eagle 培养基 (DMEM) | Thermo Fisher Scientific | 11995065 | 细胞培养基 |
| epi2me-labs/wf-amplicon Nextflow 工作流程 (v1.2.1) | Oxford Nanopore Technologies, UK | N/A | 用于处理和分析纳米孔扩增子测序数据的 Nextflow 工作流程;版本 1.2.1 用于 MinION 数据的可重复分析 |
| epi2me-labs/wf-alignment Nextflow 工作流程 (v1.2.3) | Oxford Nanopore Technologies, UK | N/A | 用于将纳米孔测序读段比对至参考序列,并使用 IGV 进行集成可视化的工作流程;版本 1.2.3 用于 MinION 数据的可重复分析 |
| 纯乙醇 | Merck Life Science | 51976-500ML-F | 用于磁珠纯化 |
| 胎牛血清 (FBS) | Sigma-Aldrich | MFCD00132239 | 细胞培养添加剂 |
| 流通池清洗试剂盒 | Oxford Nanopore Technologies | EXP-WSH004 | 流通池清洗 |
| GeneRuler 1 kb Plus DNA 标准品 (10 kb) | Thermo Fisher Scientific | SM1331 | 片段大小确认 |
| HFF-1 人包皮成纤维细胞系 | American Type Culture Collection (ATCC) | SCRC-1041 | 从新生儿包皮组织中分离的人皮肤成纤维细胞;用于寄生虫扩增 |
| MinION 流通池 (R10.4.1) | Oxford Nanopore Technologies | FLO-MIN114 | 用于测序的流通池 |
| MinION Mk1B 测序仪 | Oxford Nanopore Technologies, UK | MIN-101B | 纳米孔测序仪;使用 MinKNOW 软件 (v25.09.16) 进行设备控制和实时碱基识别 |
| MinKNOW 软件 | Oxford Nanopore Technologies, UK | N/A | 用于 MinION Mk1B 设备控制、实时测序和碱基识别的软件;版本 25.09.16 |
| Native Barcoding Kit 24 V14 | Oxford Nanopore Technologies | SQK-NBD114.24 | 用于多重样本的条形码标记 |
| NEB Blunt/TA 连接酶主混合液 | New England Biolabs | M0367 | DNA 连接 |
| NEBNext 快速连接模块 | New England Biolabs | E6056 | 接头连接 |
| NEBNext 快速连接反应缓冲液 (5×) | New England Biolabs | B6058 | 用于 DNA 连接 |
| NEBNext Ultra II 末端修复/dA 尾添加模块 | New England Biolabs | E7546 | 文库制备 |
| 无核酸酶水 | Thermo Fisher Scientific | R0581 | 分子生物学级别 |
| NucleoSpin 凝胶和 PCR 纯化试剂盒 | Macherey-Nagel | 740609.5 | PCR 产物纯化 |
| 青霉素–链霉素 (1%) | Thermo Fisher Scientific (Gibco) | 15140-122 | 抗生素混合物 |
| 磷酸盐缓冲液 (PBS) | Thermo Fisher Scientific (Gibco) | 10010023 | 洗涤缓冲液 |
| Q5 高保真 2× 主混合液 | New England Biolabs | M0492S | 高精度聚合酶 |
| QIAamp DNA 血液微量试剂盒 | Qiagen | 69504 | DNA 提取 |
| Quick T4 DNA 连接酶 | New England Biolabs | M2200 | 接头连接酶 |
| SYBR Safe DNA 凝胶染料 | Thermo Fisher Scientific | S33102 | DNA 染色染料 |
| TriTrack DNA 上样染料 (6×) | Thermo Fisher Scientific | R1161 | 将样品加入凝胶 |
| 胰蛋白酶–EDTA (0.25%) | Thermo Fisher Scientific (Gibco) | 25200056 | 用于 HFF 细胞传代 |
| 1× TAE 或 1× TBE 缓冲液 | — | — | 电泳运行缓冲液 |
| 2× PCR 预混液 | — | — | PCR 用即用型混合液 |
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