Halfgeleider sequencing voor pre-implantatie genetische tests voor aneuploïdie
Summary
Hier introduceren we een methode van halfgeleider sequencing voor pre-implantatie genetische testen voor aneuploïdie (PGT-a) met de voordelen van korte doorlooptijd, lage kosten en hoge doorvoer.
Abstract
Chromosomale aneuploïdie, een van de belangrijkste oorzaken die leiden tot de arrestatie van embryonale ontwikkeling, implantatie falen of zwangerschaps verlies, is goed gedocumenteerd in menselijke embryo’s. Preimplantatie genetische testen voor aneuploïdie (PGT-A) is een genetische test die de voortplantings resultaten aanzienlijk verbetert door chromosoomafwijkingen van embryo’s te detecteren. Next-generation sequencing (NGS) biedt een hoge doorvoer en een kosteneffectieve aanpak voor genetische analyse en heeft klinische toepasbaarheid aangetoond in PGT-A. Hier presenteren we een snelle en laaggeprijsde NGS-methode op basis van halfgeleider-sequencing voor het screenen van aneuploïdie in embryo’s. De eerste stap van de workflow is Whole genoom Amplification (WGA) van het biopsied embryo specimen, gevolgd door de bouw van sequentiëren bibliotheek, en opeenvolgende sequentiëren op het halfgeleider volgorde systeem. Over het algemeen kunnen voor een PGT-A-toepassing 24 samples worden geladen en gesequentieerd op elke chip die 60 − 80 miljoen leesbewerkingen genereert met een gemiddelde lengte van 150 basis paren. De methode biedt een verfijnd protocol voor het uitvoeren van sjabloon versterking en verrijking van sequentiëren bibliotheek, waardoor de PGT-A-detectie reproduceerbaar, hoge doorvoer, kostenefficiënt en tijdbesparend. De looptijd van deze halfgeleider-sequencer is slechts 2 − 4 uur, verkorting van de doorlooptijd van het ontvangen van monsters voor het uitgeven van rapporten in 5 dagen. Al deze voordelen maken deze test een ideale methode om chromosomale aneuploidies uit embryo’s op te sporen en zodoende de brede toepassing ervan in PGT-A te vergemakkelijken.
Introduction
Het kiezen van levensvatbare embryo’s van goede kwaliteit met normale chromosoom kopie nummers (euploïde) voor overdracht in geassisteerde reproductie helpt de zwangerschapsuitkomsten te verbeteren. Traditioneel wordt het gevestigde morfologische beoordelingssysteem op grote schaal gebruikt voor de evaluatie van embryo’s vanwege de gemakkelijke beschikbaarheid en de niet-invasieve aard. Er is echter aangetoond dat morfologische beoordeling slechts beperkte informatie kan verschaffen over embryo kwaliteit1 en implantatie potentiaal2. Een fundamentele reden is het onvermogen om de chromosomale samenstelling van de embryo’s te evalueren.
Chromosomale aneuploïdie (abnormaal kopie aantal chromosomen) is een van de belangrijkste oorzaken die tot embryonale ontwikkeling aanhouding, implantatie falen of zwangerschaps verlies leidt. Het optreden van aneuploïdie is goed gedocumenteerd in menselijke embryo’s, waarbij 60% − 70% is opgenomen in het splijting-stadium embryo’s3,4 en 50% − 60% in blastocysten5. Dit heeft tot op zekere hoogte bijgedragen tot het knelpunt bij het verbeteren van het zwangerschaps percentage van de behandeling in vitro fertilisatie (IVF), dat ongeveer 35% − 40%6,7heeft gehandhaafd. Daarom, het selecteren van euploïde embryo’s voor overdracht wordt verondersteld te zijn gunstig voor het verbeteren van de resultaten van de zwangerschap. Hiertoe is een pre-implantatie genetische test voor aneuploïdie (PGT-A) verder ontwikkeld om de leefbaarheid van embryo’s te onderzoeken aan de hand van genetische benaderingen. Er zijn toenemende aantallen gerandomiseerde gecontroleerde studies en cohort studies die de cruciale rol van PGT-A ondersteunen. Het is bewezen dat de toepassing van PGT-A vermindert de miskraam tarief en verhoogt de klinische zwangerschap tarief en implantatie tarief8, lopende zwangerschaps tarief en live geboortecijfer9.
Historisch gezien zijn er verschillende methoden toegepast in PGT-A, zoals fluorescentie in situ-hybridisatie (vissen), vergelijkende genomische hybridisatie (CGH), array-CGH en single nucleotide polymorfisme (SNP)-Microarray. Uit eerdere studies is gebleken dat PGT-A voor de splijter fase van embryo’s door vissen resultaten oplevert die slecht consistent zijn met die welke zijn verkregen door uitgebreide chromosomale screening (CCS) van overeenkomstige blastocysten met 59273array-cgh of SNP-microarray5927310. Deze verschillen kunnen worden toegeschreven aan chromosomale mosaïsme, vis technische artefacten, of embryonale zelf correctie van chromosoomsegregatie fouten tijdens de ontwikkeling11. Het is alom erkend dat het gebruik van blastocyst trophectoderm (te) biopsieën voor array-gebaseerde PGT-A zoals array-cgh of SNP-Microarray effectief is voor het identificeren van de chromosomale onbalans in embryo’s10,12. Onlangs biedt single-cell sequentiëren van de volgende generatie (NGS) een hoge doorvoer en een kosteneffectieve aanpak voor genetische analyse en heeft het klinische toepasbaarheid aangetoond in PGT-a13,14,15, waardoor het een veelbelovend alternatief voor de momenteel beschikbare methoden.
Hier presenteren we een snelle, robuuste en goedkope NGS-methode op basis van halfgeleider-sequencing voor het screenen van aneuploïdie in menselijke embryo’s. De eerste stap van de workflow is Whole genoom Amplification (WGA) van het biopsied embryo specimen, met behulp van een WGA Kit met één cel, gevolgd door de bouw van sequentiëren bibliotheek, en opeenvolgende sequentiëren op het halfgeleider volgorde systeem.
Door het detecteren van de H+ -ionen die vrijkomen uit elke deoxyribonucleoside trifosfaat opname tijdens de DNA-strand synthese, draagt het systeem de chemische signalen (pH-verandering) over die door de halfgeleiderelementen worden opgevangen naar directe digitale gegevens , die verder worden geïnterpreteerd in DNA sequentie-informatie. Het elimineren van de eis voor dure optische detectie en complexe sequentie reacties, deze eenvoudige sequentie chemie vermindert de totale reagens kosten en verkort de sequentiëren looptijd in 2 − 4 uur16. Wat nog belangrijker is, op basis van de prestatiespecificaties van de fabrikant, kan het platform voor het sequentiëren van halfgeleider tot 15 GB aan sequentiegegevens genereren (afhankelijk van de kwaliteit van de bibliotheek) per run, wat aanzienlijk hoger is dan sommige van de andere sequencers produceren slechts ongeveer 3 − 4 GB gegevens (met 2 x 75 BP Lees lengte)17. In klinische toepassingen van PGT-A, dit platform kan bereiken 24 monsters per chip genereren tot 80.000.000 leest17 en ten minste 1.000.000 unieke leest van elk monster. De Lees diepte kan ervoor zorgen dat elk monster ten minste 0,05 x hele genoom dekking heeft. De bovenstaande voordelen van dit platform maken het een ideale screeningsmethode en faciliteren zo de brede toepassingen in PGT-A18.
Protocol
Representative Results
Discussion
Verschillend van andere sequentiëren chemici, de sequencer hier beschreven gebruikt halfgeleider voor de detectie van nucleotiden. De chip zelf is een elektronisch apparaat dat waterstof ionen detecteert door middel van polymerase-gedreven base incorporatie17, die 2 − 4 h sequentie tijd van het proton programma mogelijk maakt. Trouwens, de chip is een micro well chip die het mogelijk maakt de lokalisatie van een doelwit molecuul, die verschilt van de flowcell sequentie chemie door andere sequen…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd gesteund door het algemeen onderzoeksfonds (Ref nr. 14162417) uit Hong Kong, de National Natural Science Foundation of China (Ref nr. 81860272), het belangrijkste onderzoeksplan van de provinciale wetenschaps-en technologiestichting van Guangxi (Ref. AB16380219), en de China postdoctorale Science Foundation Grant (Ref. 2018M630993) uit China.
Materials
| PCR tubes, 0.2 mL | Axygen | PCR-02D-C | |
| UltraPure 0.5M EDTA, pH 8.0 | ThermoFisher | 15575020 | |
| PBS, pH 7.4, Ca2+ and Mg2+ free | ThermoFisher | 10010023 | |
| 1.0 M NaOH (1.0N) solution | SIGMA-ALDRICH | S2567 | For Melt-off solution. Molecular grade |
| Eppendorf LoBind Tubes, 1.5 mL | Fisher Scientific | 13-698-791 | |
| Ion Plus Fragment Library Kit | ThermoFisher | 4471252 | |
| ELGA PURELAB Flex 3 Water Purification System or Equivalent 18 MΩ water system |
ThermoFisher | 4474524 | |
| Ion Plus Fragment Library Kit | ThermoFisher | 4471252 | |
| PicoPLEX WGA Amplification buffer | Rubicon Genomics | R30050 | This can be replaced by SurePlex DNA Amplification System,catalog number: PR-40-415101-03. |
| PicoPLEX WGA Amplification enzyme | Rubicon Genomics | R30050 | This can be replaced by SurePlex DNA Amplification System,catalog number: PR-40-415101-03. |
| Ion OneTouch Amplification Plate | In kit: Ion OneTouch 2 Supplies (Part No. A26367). Extended kit component in Sheet 5 | ||
| Ion PI Annealing Buffer | |||
| MyOne Beads Capture Solution | |||
| Agilent 2100 Bioanalyzer instrument | Agilent | G2939AA | |
| Ion OneTouch Breaking Solution (black cap) | In kit: Ion PI Hi‑Q OT2 Solutions 200 (Part No. A26429). Extended kit component in Sheet 5 | ||
| Dynabeads MyOne Streptavidin C1 | ThermoFisher | 65001 | |
| PicoPLEX WGA Cell extraction buffer | Rubicon Genomics | R30050 | This can be replaced by SurePlex DNA Amplification System,catalog number: PR-40-415101-00. |
| PicoPLEX WGA Cell extraction enzyme | Rubicon Genomics | R30050 | This can be replaced by SurePlex DNA Amplification System,catalog number: PR-40-415101-03. |
| Ion PI Chip Kit v3 | ThermoFisher | A26771 | |
| Ion Chip Minifuge, 230 V | ThermoFisher | 4479673 | |
| Ion PI dATP | ThermoFisher | A26772 | |
| Ion PI dCTP | ThermoFisher | A26772 | |
| Ion PI dGTP | ThermoFisher | A26772 | |
| Ion Plus Fragment Library Kit | ThermoFisher | 4471252 | |
| Ion Plus Fragment Library Kit | ThermoFisher | 4471252 | |
| ThermoQ–Temperature Dry Bath | TAMAR | HB-T2-A | |
| NEBNext dsDNA Fragmentase | New England Biolabs | M0348L | |
| NEBNext dsDNA Fragmentase | New England Biolabs | M0348L | |
| Ion PI dTTP | ThermoFisher | A26772 | |
| Ion OneTouch 2 Instrument | ThermoFisher | INS1005527 | ThermoFisher Catalog number: 4474778. |
| Ion Plus Fragment Library Kit | ThermoFisher | 4471252 | |
| Ion One Touch ES | ThermoFisher | 8441-22 | ThermoFisher Catalog number: 4469495. Extended kit component in Sheet 5 |
| Ethanol | SIGMA-ALDRICH | 51976 | This can be replaced by any brand's molecular grade absolute ethanol. |
| PicoPLEX WGA Extraction enzyme dilution buffer | Rubicon Genomics | R30050 | This can be replaced by SurePlex DNA Amplification System,catalog number: PR-40-415101-01. |
| PicoPLEX WGA Extraction enzyme dilution buffer | Rubicon Genomics | R30050 | This can be replaced by SurePlex DNA Amplification System,catalog number: PR-40-415101-02. |
| Qubit 3.0 Fluorometer | ThermoFisher | Q33216 | This model has been replaced by Qubit 4 Fluorometer, Catalog number: Q33226. |
| Qubit ds DNA HS Assay kit | ThermoFisher | M2002-02 | |
| Qubit Assay Tubes | ThermoFisher | Q32856 | |
| Ion PI Foaming Solution | ThermoFisher | A26772 | |
| Index for barcoding of libraries | BaseCare | this is a in-house prepared index. Users can buy commercial product from ThermoFisher Ion Xpress Barcode Adapters Kits (Cat. No. 4474517) | |
| Ion PI Loading Buffer | ThermoFisher | A26772 | |
| Solid(TM) Buffer Kit-1X Low TE Buffer | ThermoFisher | 4389764 | |
| Agencour AMPure XP Kit | Beckman Coulter | A63880 | |
| DynaMag-2 magnet (magnetic rack) | ThermoFisher | 12321D | |
| Ion PI Master Mix PCR buffer | |||
| Sorvall Legend Micro 17 Microcentrifuge | Micro 17 | 75002430 | |
| Ion Plus Fragment Library Kit | ThermoFisher | 4471252 | |
| Nuclease-free water | ThermoFisher | AM9922 | This can be replaced by other brand. |
| PicoPLEX WGA Nuclease-free water | Rubicon Genomics | R30050 | This can be replaced by SurePlex DNA Amplification System,catalog number: PR-40-415101-03. |
| Ion OneTouch Oil bottle | Ion PI Hi‑Q OT2 Solutions 200 (Part No. A26429). Extended kit component in Sheet 5 | ||
| Ion Plus Fragment Library Kit | ThermoFisher | 4471252 | Extended kit component in Sheet 3 |
| double-strand DNA standard | This is a in-house prepared DNA standard for calibration of Qubit before quantification of library. | ||
| PicoPLEX WGA Preamplification buffer | Rubicon Genomics | R30050 | This can be replaced by SurePlex DNA Amplification System,catalog number: PR-40-415101-03. |
| PicoPLEX WGA Preamplification enzyme | Rubicon Genomics | R30050 | This can be replaced by SurePlex DNA Amplification System,catalog number: PR-40-415101-03. |
| Library Amplification Primer Mix | ThermoFisher | 4471252 | Extended kit component in Sheet 3 |
| Ion OneTouch Reaction Filter | Extended kit component in Sheet 5 | ||
| Recovery Router | Extended kit component in Sheet 5 | ||
| Recovery Tubes | Extended kit component in Sheet 5 | ||
| ISP Resuspension Solution | |||
| Ion Proton | ThermoFisher | DA8600 | This model is imported by Da An Gene Co.,LTD. of Sun Yat-Sen University from ThermoFisher and has been certified by China Food and Drug Administration for clinical application. The catalog number in ThermoFisher is 4476610. |
| Ion PI Hi‑Q Sequencing Polymerase | ThermoFisher | A26772 | |
| Ion PI Sequencing Primer | |||
| server for sequencer | Lenovo | T260 | |
| Ion PI Sphere Particles | |||
| Platinum PCR SuperMix High Fidelity | ThermoFisher | 4471252 | |
| Nalgene 25mm Syringe Filters | ThermoFisher | 724-2045 | Pore size: 0.45μm. Specifically for aqueous fluids. |
| Ion PI Hi‑Q W2 Solution | ThermoFisher | A26772 | |
| Ion PI 1X W3 Solution | ThermoFisher | A26772 | |
| Ion OneTouch Wash Solution C1 | |||
| The Ion PGM Hi‑Q View Sequencing Kit | ThermoFisher | A30044 | Extended kit component in Sheet 2 |
| Ion Plus Fragment Library Kit | ThermoFisher | 4471252 | Extended kit component in Sheet 3 |
| Ion PI Hi-Q Sequencing 200 Kit (1 sequencing run per initialization) | ThermoFisher | A26772 | Extended kit component in Sheet 4 |
| Ion PI Hi‑Q OT2 200 Kit | ThermoFisher | A26434 | Extended kit component in Sheet 5 |
References
- Balaban, B., Urman, B. Effect of oocyte morphology on embryo development and implantation. Reproductive BioMedicine Online. 12 (5), 608-615 (2006).
- Capalbo, A., et al. Correlation between standard blastocyst morphology, euploidy and implantation: An observational study in two centers involving 956 screened blastocysts. Human Reproduction. 29 (6), 1173-1181 (2014).
- Magli, M. C., Gianaroli, L., Ferraretti, A. P. Chromosomal abnormalities in embryos. Molecular and Cellular Endocrinology. 183, 29-34 (2001).
- Trussler, J. L., Pickering, S. J., Ogilvie, C. M. Investigation of chromosomal imbalance in human embryos using comparative genomic hybridization. Reproductive BioMedicine Online. 8 (6), 701-711 (2004).
- Fragouli, E., et al. Cytogenetic analysis of human blastocysts with the use of FISH, CGH and aCGH: Scientific data and technical evaluation. Human Reproduction. 26 (2), 480-490 (2011).
- Calhaz-Jorge, C., et al. Assisted reproductive technology in Europe, 2013: Results generated from European registers by ESHRE. Human Reproduction. 32 (10), 1957-1973 (2017).
- Dyer, S., et al. International committee for monitoring assisted reproductive technologies world report: Assisted reproductive technology 2008, 2009 and 2010. Human Reproduction. 31 (7), 1588-1609 (2008).
- Dahdouh, E. M., Balayla, J., García-Velasco, J. A. Comprehensive chromosome screening improves embryo selection: A meta-analysis. Fertility and Sterility. 104 (6), 1503-1512 (2015).
- Chen, M., Wei, S., Hu, J., Quan, S. Can Comprehensive Chromosome Screening Technology Improve IVF/ICSI Outcomes? A Meta-Analysis. PloS One. 10 (10), e0140779 (2015).
- Northrop, L. E., Treff, N. R., Levy, B., Scott, J. T. SNP microarray-based 24 chromosome aneuploidy screening demonstrates that cleavage-stage FISH poorly predicts aneuploidy in embryos that develop to morphologically normal blastocysts. Molecular Human Reproduction. 16 (8), 590-600 (2010).
- Barbash-Hazan, S., et al. Preimplantation aneuploid embryos undergo self-correction in correlation with their developmental potential. Fertility and Sterility. 92 (3), 890-896 (2009).
- Fragouli, E., et al. Comprehensive cytogenetic analysis of the human blastocyst stage. Fertility and Sterility. 90 (11), S36 (2008).
- Fiorentino, F., et al. Development and validation of a next-generation sequencing-based protocol for 24-chromosome aneuploidy screening of embryos. Fertility and Sterility. 101 (5), 1375-1382 (2014).
- Fiorentino, F., et al. Application of next-generation sequencing technology for comprehensive aneuploidy screening of blastocysts in clinical preimplantation genetic screening cycles. Human Reproduction. 29 (12), 2802-2813 (2014).
- Wells, D., et al. Clinical utilisation of a rapid low-pass whole genome sequencing technique for the diagnosis of aneuploidy in human embryos prior to implantation. Journal of Medical Genetics. 51 (8), 553-562 (2014).
- Quail, M. A., et al. A tale of three next generation sequencingplatforms: comparison of Ion Torrent, PacificBiosciences and Illumina MiSeq sequencers. BMC Genomics. 13 (1), 1-13 (2012).
- Goodwin, S., McPherson, J. D., McCombie, W. R. Coming of age: ten years of next-generation sequencing technologies. Nature Reviews Genetics. 17 (6), 333-351 (2016).
- Bono, S., et al. Validation of a semiconductor next-generation sequencing-based protocol for preimplantation genetic diagnosis of reciprocal translocations. Prenatal Diagnosis. 35 (10), 938-944 (2015).
- Harton, G. L., et al. ESHRE PGD Consortium/Embryology Special Interest Groupbest practice guidelines for polar body and embryo biopsy for preimplantation genetic diagnosis/screening (PGD/PGS). Human Reproduction. 26 (1), 41-46 (2011).
- Liu, W. Q., et al. The performance of MALBAC and MDA methods in the identification of concurrent mutations and aneuploidy screening to diagnose beta-thalassaemia disorders at the single- and multiple-cell levels. Journal of Clinical Laboratory Analysis. 32 (2), 1-8 (2018).
- Zhang, X., et al. The comparison of the performance of four whole genome amplification kits on ion proton platform in copy number variation detection. Bioscience Reports. 37 (4), BSR20170252 (2017).
- Munné, S., Grifo, J., Wells, D. Mosaicism: “survival of the fittest” versus “no embryo left behind”. Fertility and Sterility. 105 (5), 1146-1149 (2016).
- Del Carmen Nogales, M., et al. Type of chromosome abnormality affects embryo morphology dynamics. Fertility and Sterility. 107 (1), 229-235 (2017).
- Harton, G. L., et al. ESHRE PGD consortium best practice guidelines for amplification-based PGD. Human Reproduction. 26 (1), 33-40 (2011).
- Deleye, L., et al. Shallow whole genome sequencing is well suited for the detection of chromosomal aberrations in human blastocysts. Fertility and Sterility. 104 (5), 1276-1285 (2015).
- Bielanska, M., Tan, S. L., Ao, A. Chromosomal mosaicism throughout human preimplantation development in vitro: incidence, type, and relevance to embryo outcome. Human Reproduction. 17 (2), 413-419 (2002).
- Treff, N. R., et al. Evaluation of targeted next-generation sequencing-based preimplantation genetic diagnosis of monogenic disease. Fertility and Sterility. 99 (5), 1377-1384 (2013).
