解讀基因測序流動槽、工作流程與文庫製備試劑盒

2020-12-07 儀器信息網

　　在今年年初的J.P. 摩根大通醫療保健大會（J.P. Morgan Healthcare Conference）上，Illumina發表了堪稱地表上最強的測序儀NovaSeq。全新的測序架構所帶來的超高通量，讓Illumina的總裁兼CEO Francis deSouza自信地宣示，百元基因組時代的來臨已指日可待。從一月產品發布到Q3 財報公布時, Illumina已經出貨近200臺NovaSeq到客戶手中。
 
　　無可匹敵的超高通量，是吸引許多客戶眼球的第一元素。年初S2 流動槽最先上市，一個流動槽每次運行可達到28-33億數量的reads / clusters。在雙S2流動槽同時運行的情況下，使用2x150 bp讀長，一次NovaSeq測序可以在一天半內解碼16個人類基因體（平均30x覆蓋深度）。10月中推出的S4流動槽，更將通量翻了三遍。一個S4流動槽每次運行可達到80-100億數量的reads / clusters，所以雙S4流動槽運行可以在不到兩天內解碼48個人類基因體（6萬億礆基通量）。S4的強大功能，將加速大規模基因組研究計畫，對臨床研究提供關鍵性的突破。如同哥倫比亞大學基因組醫學研究所主任David B. Goldstein所言，NovaSeq系列所激發的研究規模和成本，都是一年前無法想像的。這全新系列的可擴展測序機不只幫助基因組醫學走向更大規模的研究，也能推動實現如液態活檢、腫瘤深度全基因組分析、和大數量單細胞測序等需要高覆蓋深度或高強度的測序應用普及化。
 
　　NovaSeq高通量的可擴展性，滿足不同產量的測序應用，也是其受到許多用戶青睞的關鍵。除了可以選擇S2 或S4流動槽，以及自由設定單槽或雙槽同時運行之外，與S4同時推出的NovaSeq Xp工作流程讓NovaSeq系統的靈活度更上一層樓。NovaSeq Xp工作流程的流動槽上樣棧與試劑，讓用戶可以將文庫直接上樣到流動槽的單個通道中。由於每個通道的文庫獨立不混雜，用戶可以根據通道來劃分樣本和項目。NovaSeq Xp工作流程帶來更大的自由度，例如每個通道使用96個樣本索引，每個流動槽一次可以測序384各樣本。這樣高度的多樣本測序（multiplexing）也順帶減低了每個樣本DNA所需的起始量。用戶可以自由決定使用標準工作流程來混合各種文庫類型在一個流動槽裡，或是利用NovaSeq Xp工作流程裡的上樣棧實行新穎的樣本索引方法，最佳化有效地利用地表上最高通量的測序儀。
 
　　NovaSeq 6000系統支援所有文庫製備方法，例如全基因組測序（WGS）、靶向重測序（targeted resequencing）、RNA測序（RNA sequencing）、和甲基化測序（methylation sequencing）。用戶可以在BaseSpace Sequencing Hub上找到NovaSeq產生的範例Illumina文庫測序結果。

　　更多關於NovaSeq系統規格和NovaSeqXp工作流程的細節，可以參考Illumina網站上的白皮書：
https://www.illumina.com/content/dam/illumina-marketing/documents/products/datasheets/novaseq-6000-system-specification-sheet-770-2016-025.pdf
 
　　除了NovaSeq S4流動槽和Xp工作流程，Illumina在10月推出的創新產品還包含了Nextera DNA Flex，一款全新的高性能全基因組測序（WGS）文庫製備試劑盒。Illumina了解在NGS測序技術不斷進步下，文庫製備的技術也要跟上腳步，一起加速基因組醫學爆發性地前進。目前許多實驗室在NGS流程的文庫製備階段仍然遭遇瓶頸。多數文庫製備流程以及前後的多個步驟，耗時又耗工。文庫製備前需要DNA提取、定量和片段化，而文庫製備後的步驟包括文庫質量評估、文庫濃度定量和歸一化。這讓許多實驗室都要延誤不少時間在文庫製備流程，才能開始測序過程。
 
　　Nextera DNA Flex的核心技術為Bead-Linked Transposome （BLT），將Nextera的轉座體（transposome）連結在磁珠上。BLT的On-Bead Tagmentation整合了DNA片段化（fragmentation）、片段接頭化（adapter ligation）、和文庫定量歸一化（library normalization）的步驟，減少手動接觸點並節省文庫製備時間到2. 5小時。搭配Flex Lysis Reagent Kit的細胞裂解試劑，Nextera DNA Flex允許直接加入樣本如血液、唾液、乾血紙片、和微生物菌株。直接加入樣本進一步省去了樣本製備的繁瑣步驟，不需要輔助設備和試劑來提取DNA。從而將文庫製備的整體周轉時間，從樣本到上測序機，縮短到三小時以內。Nextera DNA Flex的簡約有助於自動化流程的使用。

　　除了是Illumina產品線中最快且最簡化的文庫製備流程，Nextera DNA Flex的On-Bead Tagmentation提供了比in-solution tagmentation更均值的DNA片段化反應。當樣本DNA起始量超過BLT的飽和點（大約是100ngDNA），過多的DNA便無法被片段化。不同於其他種文庫製備方法，這樣的化學特性使得Nextera DNA Flex片段化結果不會受到DNA定量的準確度影響。當DNA量介於100-500ng 之間，Nextera DNA Flex製備後的文庫片段長度和上樣量幾乎是固定的。用戶可以利用Nextera DNA Flex的廣泛樣本DNA起始量，靈活支持各種類型的基因組測序，簡化日常操作。　
 
　　BLT與樣本DNA飽和後帶來的均勻文庫片段長度和上樣量，也提升了基因組測序覆蓋度的均一性。不管是人類或非人類基因體，文庫DNA片段均勻地覆蓋在高與低的GC區域，沒有偏好性。這樣的通用特性讓Nextera DNA Flex應用範圍廣泛，支持人類或其他大型/複雜基因組以及擴增子和微生物、寄生蟲或真菌物種的測序，並且與Illumina各款測序儀完全兼容。用戶可以在BaseSpace Sequencing Hub上找到Nextera DNA Flex應用在不同動植物和細菌基因體所產生的文庫和在不同Illumina測序儀上的結果。

　　更多關於Nextera DNA Flex的全新技術BLT原理、快速與整合的流程、以及全基因組測序表現和TruSeq Nano與Nextera XT的比較，請參考Illumina網站上的白皮書：
https://www.illumina.com/content/dam/illumina-marketing/documents/products/datasheets/nextera-dna-flex-data-sheet-770-2017-011.pdf

　　另外兩份白皮書詳盡討論Nextera DNA Flex的文庫製備成果：


人類基因體
https://www.illumina.com/content/dam/illumina-marketing/documents/products/appnotes/nextera-dna-flex-human-genomes-application-note-770-2017-018.pdf

微生物基因體
https://www.illumina.com/content/dam/illumina-marketing/documents/products/appnotes/nextera-dna-flex-small-genomes-application-note-770-2017-019.pdf
 
　　今年十月份發布的這些新產品，NovaSeq S4流動槽、NovaSeq Xp工作流程（預計十二月份開始接受訂購）、和Nextera DNA Flex文庫製備試劑盒，再度展現Illumina的創新能力，並幫助加速基因組醫學邁向大規模、高性能的全基因組研究之路。

作者簡介

莊涵宇博士
Illumina高級經理，生物信息和基因組應用合作
Han-Yu Chuang
Senior Manager, Bioinformatics and Genomics Applications Partnerships, Illumina Inc.

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