一文讲清!免疫组测序技术研究:RNA VS DNA?多重PCR VS 5’RACE?

艾沐蒽ImmuHub®免疫组测序平台灵活度极高,可以DNA或RNA作为模板,搭配不同的文库构建方法来实现免疫组测序,帮助您解读适应性免疫系统的复杂性。

关于如何选择RNA还是DNA,以及建库方法,很多老师初次接触免疫组测序技术研究时都会产生疑问,这重点取决于样本情况和相关研究目的。

本篇将重点介绍如何选择适合免疫组研究的技术方法以及选择的原因。

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RNA VS DNA

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选择RNA作为模板的原因
1.基于mRNA的免疫组克隆种类更多

尽管基因组DNA和RNA均可用于Immune Profiling,但每个细胞的mRNA拷贝数至少比gDNA多10到100倍。研究表明,较高数量的起始RNA模板拷贝可显著提高T细胞受体的检测水平。

由此数据可看到,相同样本基于mRNA的TCR测序结果,其TCR克隆型种类更多。(数据来源于Cellecta, Inc.)

2.基于RNA免疫组受体测序均是功能性蛋白序列,与抗原诱导和疾病特异性相关较高

对mRNA进行测序揭示了经过剪接和转录后加工的表达受体的序列,因此更有可能产生功能性蛋白质(图2),且克隆型在不同水平表达受体mRNA,适应性免疫的激活会诱导抗原特异性克隆型中TCR和BCR转录显著上调。所以基于mRNA的免疫受体库通常会有少量丰富的克隆型主导,其中许多丰富的克隆型可能是抗原诱导的或疾病特异性的。而DNA层面更容易检测到非功能性表达的序列。所以当研究TCR与抗原疾病相关的研究时更适合用mRNA。

图2. TCR DNA剪切转录、翻译过程

3.基于mRNA的免疫组测序能区分C区Ig亚型信息

使用基因组DNA作为模板的免疫组分析,无法识别Ig亚型,因为该亚型上的V(D)J和C区域被内含子分开(图3),从而阻止一起被PCR扩增出来C基因信息。而mRNA作为模板,可以避免此问题,结合5’RACE扩增方法,能同时获得C区信息。

图3. DNA层面VDJC连接示意图

4.基于mRNA的免疫组扩增,可获得VDJ全长信息

Bulk免疫组测序,使用mRNA结合5’RACE单对引物方法建库(建库方法介绍详细见后),可获得VDJ全长信息,而DNA层面不能(详见图12所示)

单细胞VDJ测序也都是基于mRNA水平开展,同时能获得全长配对信息,也能联合转录组进行联合分析。

5.基于RNA层面开展的免疫组临床诊断和治疗转化应用更多

目前最新有关TCR-T开发研究相关也都是基于RNA水平开展的,如基于RNA测序来检查表达并预测新表位是否会被MHC呈递以被T细胞识别。

图4. 参考来源:Jingjing He ,etal. Defined tumor antigen-specific T cells potentiate personalized

TCR-T cell therapy and prediction of immunotherapy response

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选择DNA作为模板的原因
1.相对定量淋巴T/B细胞数量

一个gDNA的拷贝对应一个细胞,适合于需要进行相对定量的检测,如血液肿瘤微小残留病检测(MRD)应用,具体应用可参考艾沐蒽Seq-MRD®相关介绍。(点击“阅读原文”,了解更多有关Seq-MRD®)

2.样本要求相对较低

适用于一些不便提取RNA,仅能提取DNA的样本,如FFPE等。DNA保存相对稳定,不需要逆转录,技术要求低。

综上,除非对于应用于相对定量时需要使用DNA作为模板,其它情况,如疾病抗原相关的免疫组、biomarker应用、TCR-T免疫治疗开发等应用,建议首选均以RNA为模板来进行。

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多重 PCR VS 5′RACE

大多数免疫分析实验都集中在TCR和BCR序列的CDR3区域。CDR3区域包含抗原和受体之间相互作用的核心位点,因此变化最大。然而,RNA+5’RACE全长测序将包括受体的其他区域,包括CDR1和CDR2,它们在抗原-受体结合和/或下游信号传导的亲和力中发挥作用。全长测序还使直接克隆和表达在免疫组库测序研究中鉴定的那些受体变得更加容易。这对于抗体治疗或T细胞治疗应用尤为重要。

图5. 骨架区FR(Framework region)与互补决定区CDR(Complementarity-determining region)示意图
所以,如果研究仅需分析CDR3区,选择多重PCR或者5’RACE方法均可行,但如需要获得全长序列信息,仅bulk的RNA+5’RACE建库测序和单细胞测序方法才可实现。

图6. 不同免疫组建库方法技术路线图
多重PCR适用于DNA和RNA模板,通常由两轮PCR组成(如果使用RNA作为模板,则在cDNA合成之后)。第一轮PCR扩增受体基因座,并添加已知序列作为第二轮的启动位点,其中包含测序接头和index。然而,第一次PCR的3’端,尤其是5’端的引物位点具有显著的高序列多样性,这就需要许多简并引物来扩增不同的TCR/BCR序列(见图6右)。因此,易引入PCR偏差,其中与引物更相似的受体序列被更有效地扩增(图7)。

图7. 多重引物偏好性
另一种方法是5’RACE(见图6左),此方法仅适用于RNA作为模板,在cDNA合成过程中通过在5’端添加已知的adptor序列,随后使用此接头序列而不依赖于TCR或BCR cDNA中的简并引物,这大大降低了PCR偏差,不依赖于引物设计,具有更高的目标率。同时,艾沐蒽在逆转录cDNA过程中为每个RNA添加UMB标签,能确保免疫组库概况,反映原始样本中序列情况,而不受PCR扩增序列变多的影响,以及PCR或测序错误影响。
01
关于ImmuHub® 5’RACE单对引物建库方法引入UMB对免疫组结果数据的影响

基于5’RACE原理,引入UMB(Unique Molecular Barcode,独立分子条形码)进行文库构建。每个样本检测中,在原始RNA模板扩增前加入的UMB种类可高达约1700万种。这可对后续PCR扩增或测序过程中的错误进行有效纠正,还原真实的数据,有如下两个优势:

图8. 基于UMB的纠错

1.结果准确率高
通过将具有相同UMB的reads聚集在一起,可以有效纠正PCR扩增和测序错误,有效杜绝PCR扩增错误和测序错误。避免由于实验误差产生的新序列,解决了假高多样性,从而提高结果准确率(图9)

▲ 图9. UMB技术修正了PCR扩增和测序错误,还原真实的免疫组多样性(蓝bar),避免了假高多样性(红bar)

2.准确评估单克隆T细胞的情况

通过计数每种UMB的数目,对具有相同UMB的序列进行合并处理,可以将因为PCR扩增导致的多条相同序列,还原到样本PCR扩增前的真实状态,从而能够准确评估单克隆T细胞的比例。(单克隆T细胞比例是指测序仅测到一个TCR分子的比例,有研究表明这与初始T细胞成正相关)

而DNA+多重PCR方法中,因未加入UMB,测到的单克隆T细胞比例会偏低,继而影响TCR多样性计算(图10)

图10. UMB技术消除PCR扩增序列,还原了PCR扩增前的真实单克隆T/B细胞比例(蜗牛图中的T部分)
研究发现,单克隆T细胞的比例反映免疫储备能力,并与临床预后研究具有重要相关性(图11)。治疗前单克隆T细胞频率与无进展生存期成正相关。

图11. 来自艾沐蒽数据
02
关于ImmuHub® 5’RACE单对引物建库方法可扩增出VDJ全长信息
5’RACE单对引物建库法能够得到包含完整TCR/BCR,这意味着可以保留完整的V基因序列,即可以扩增VDJ全长序列,同时又由于是根据C区设计引物,还可得到C基因信息,如对BCR测序,还可得到IgH isotype信息。此种方法能够匹配多种不同测序模式,PE150/PE250/PE300均可。而多重PCR方法仅能扩增CDR3区。

▲ 图12. 5’RACE单对引物建库与多重PCR引物建库扩增区域

对于扩增的全长序列,可以选择使用PE150测序仅分析CDR3区信息,也可使用PE300测序直接分析得到VDJ全长信息。

单细胞测序是采用 5’接头的通用引物和TCR/BCR恒定区(C 区) 的保守引物进行的进行巢式PCR,实现高特异性 TCR/BCR 的V区 (包含 V、D、J片段) 序列富集。扩增富集得到的全长V(D)J序列大概是650bp左右,通过酶切为长短不一的片段,再使用PE150测序。

综上,当能同时提取RNA或DNA时,我们首选使用RNA+5’race方法建库后,再进行高通量测序可获得更为准确和全面的TCR/BCR信息。

部分基于ImmuHub®平台发表的学术论文:www.immuquad.com/publications

更多关于bulk免疫组测序与单细胞VDJ测序区别和如何选择,请关注艾沐蒽公众号下次分享。

关于艾沐蒽

杭州艾沐蒽生物科技有限公司成立于2016年,是国内前沿的专注于免疫基因组学技术的国家高新技术企业。创始人团队来自美国芝加哥大学,在2010年开始使用免疫组高通量测序技术开展各种疾病相关研究,于2016年通过自主研发,全国首家推出NGS-MRD血液肿瘤微小残留病(MRD)检测Seq-MRD®,并授权泛生子(纳斯达克代码:GTH)使用。同时,公司拥有Immun-Traq®肿瘤治疗伴随诊断、Immun-Cheq® |T细胞免疫测评以及ImmuHub®免疫组测序科研服务产品,并布局有基于AI机器学习算法的T-classifier®疾病早筛、单细胞测序、TCR-T药物开发等平台管线。公司构建几十项发明专利和软件著作权为核心的自主知识产权体系,为医院临床、生命科学研究、新药开发等提供解决方案和产品。

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