DATASHEET: ILLUMINA® RNA ANALYSIS

シーケンステクノロジーによる遺伝子発現解析： mRNA-Seqとタグプロファイリング、Small RNA探索イルミナは革新的なテクノロジーに基づく幅広いRNA発現解析製品をご提供しています。なかでも大量並行シーケンステクノロジーGenome Analyzerをベースにした遺伝子発現解析は、探索やプロファイリングからcSNPの同定やスプライスバリアント解析まで、様々な研究の用途に対応した新しい遺伝子発現の手法です。

はじめにイルミナは、遺伝学研究分野において幅広くデザインされた革新的かつ柔軟性の高い製品を開発しています。mRNA

解析および遺伝子発現プロファイリングには、研究目的に応じて、イルミナ

Genome Analyzer大量並行シーケンスあるいはマルチサンプル対応可能なマイクロアレイテクノロジーをベースにした製品をご提供しています（図1）。各アッセイは高品質で包括的な遺伝子カバー率を誇り、新規転写物探索、多型探索、そしてモデル生物における遺伝子プロファイリングといった多様な実験に対応しています。

mRNA探索とプロファイリングイルミナシーケンステクノロジーは

1週間で数百億塩基という単位でデータを産出します（図2）。大量データの結果は、探索において圧倒的なメリットをもたらします。mRNA-Seqでは、ほぼ全てのpoly-A由来転写産物のスプライスバリアントを同定し、定量することができます。タグプロファイリングでは、従来法を用いて短い3’側の断片をシーケンスし、既知および新規転写産物の発現を定量します。タグプロファイリングは効率化されており、高サンプルスループットに対応しています。また、Small RNA

解析にもこのタグプロファイリングアプローチを用い、新規Small RNA探索および既知マイクロRNAのプロファイリングが可能です。

MRNA-SEQ

イルミナシーケンステクノロジーを用いたmRNA-Seqアプリケーションは、全mRNAにおける無限の探索とプロ

ファイリングを可能にしました。プ

ローブやプライマーの設計を必要としないため、mRNA-Seqはトランスクリプトーム解析におけるバイアスのない大量の情報を得ることができます。研究者は迅速にpoly-A RNAの完全な情報を集め、わずか1回の実験で遺伝子発現、cSNP、新規転写産物、新規アイソ

フォーム、選択的スプライスバリアント、アレル特異的発現、そして低発現転写産

物といった解析を行うことが可能です。またmRNA-Seq探索をサポートするために、イルミナではシンプルなサンプル調製プロトコールおよびデータ解析ソフトウェアをご提供しています。

調節可能な感度mRNA-Seqは研究のデザインあるいは目的に沿った実験を最適化するために、新しいレベルのアッセイ柔軟性を備えています。シーケンスデータはデジタル（個々の塩基配列リードからなる数値的頻度）で産出されます。感度（カバレッジ）は研究者が決定することができ、サ

図1: トランスクリプトーム解析における探索とプロファイリングオプション

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VeraCode

DASL

タグプロファイリング

Small RNA

Discovery ValidationProfiling

遺伝子発現

イルミナシーケンスおよびマイクロアレイテクノロジーは幅広いRNA解析のための製品をご提供しています。これらの製品は探索やプロファイリング、解析が難しいサンプルなど幅広いアプリケーションに対応しています。

ンプルをさらにシーケンスすることでカバレッジを増やすことができます。この柔軟性のある手法は、発現プロファイリングや低発現転写産物を用いたサンプルの分類、多型探索など幅広いアプリ

ケーションを促進することができます。

持続性のあるデータと新規探索シーケンスをベースとしたRNA探索では、新規転写産物のデータを含む結果を持続的に保存できるという特長があります。発現レベルのデータセットはプローブIDではなく、実際のmRNAの配列情報から構成されるため、研究者はまだ発見されていない未知のエクソン情報もデータとして収集することができます。将来アノテーションが新たに決定されるかもしれないmRNAは、すでにランをしたサンプルのデータ

セットに存在しているため、データ

ベース更新のたびに再実験を行う必要はありません。mRNA-Seqでは既知情報をベースにプローブを設計する必要がないため、新規転写産物の同定が可能となりました。

高品質データ高精度のイルミナシーケンステクノロ

ジーを用いたmRNA-Seqは、高品質

なデータをもたらします。G e n o m e

Ana lyze rは塩基ごとのリード精度は98.5%以上、そしてコンセンサス精度は3カバレッジ以上で99.99%以上を誇ります。イルミナの研究者は製品開発

時に一貫性のある高品質なパフォーマンスを確保するために、全製品に厳格なテストを行っています。高精度および高感度のパフォーマンスは、サンプル間の発現差の定量化につながります（図3）。mRNA-Seqと定量PCRとの高い整合性の結果は、mRNA-Seqデータ精度がアッセイに依存しないことを示しています（図4）。また、発現差に整合性があるということは、mRNA-Seqプロトコールが安定しており、優れた再現

性をもたらすことを意味します。テクニカルレプリケートの実験では、相関値は0.99以上の結果となりました。また、 シーケンスは1塩基レベルの解像度をもたらし、転写産物内のスプライス部位やSNPの高解像度な同定を行うことができます（図5）。

シンプルで自動化されたアッセイ ワークフローmRNA-Seqのサンプル調製は非常にわかりやすく、ハンズオン時間を最低限に留めた標準的な分子生物学の手法を採用しています（図6）。その結果、研究者はRNA回収からデータ解析まで、わずか1週間以内で実験を進めることができます。 まず細胞由来の poly-A RNA を回収します。そのRNAを断片化したのちランダムプライマーを用いて逆転写反応を行い、二本鎖cDNA断片を合成します。キットに含まれるシーケンスアダプターを二本鎖cDNA断片に付加し、ゲル電気泳動でサイズ選択を行い

図2: イルミナGenome Analyzerとフローセル

Genome Analyzerは幅広いアプリケーションに対応しています。フローセルは8つのレーンから構成され、レーンあたり1600～2000万以上のタグ（リード）が産出されます。

図3: mRNA-Seqによる組織特異的な発現の検出

各リードの定量はＹ軸のゲノム領域で示されています。発現しているエクソンはピークとして観察でき、RefSeqのアノテーションと一致しています（図下段）。サンプル特異的な発現は異なるサンプルの結果を比較することで得られます。脳では3,115リードが表示されています （図上段）が、UHR（ユニバーサルヒトレファレンス）では31,109リードが表示され（図中段）、 10倍以上の高発現であることがわかります。

DATASHEET: ILLUMINA® RNA ANALYSIS

ます。低サイクルPCRを行い、サンプル内のアダプターが付加されなかったcDNAやRNAのコンタミネーションを最低限に抑えます。 これらのmRNAテンプレートライブラリーを用い、イルミナGenome

AnalyzerシステムでDNAサンプルと同じようにシーケンスを行います。ライブラリーは完全自動化されたCluster

Station上でフローセルに流します。フローセルには、アダプターに相補的な

オリゴが結合されています。Cluster

Stationではフローセル上に張り付いたcDNAを定温増幅し、1分子を1,000分子程度にまで増やしてクラスターを形成します。フローセル上に高密度に並んだクラスターは、完全自動化されたGenome Analyzerでシーケンスされます。イルミナシーケンステクノロジーは独自に開発した4種類の蛍光標識された可逆的塩基と特別なポリメラーゼを採用し、数千万のクラスターを同時並行に1塩基ずつ迅速にシーケンスします。

タグプロファイリングよりシンプルなゲノムワイドmRNAの探索には、タグプロファイリングを用いることができます。タグプロファイリングは転写産物全体ではなく、短いタグをシーケンスすることによって転写物の同定および定量を行います。イルミナのタグプロファイリングプロトコールは独自かつ位置がわかっている20あるいは21塩基ペアのcDNAタグを用いて転写産物を同定します。これらのタグは生物種のリファレンスゲノムと比較することで、発現された遺伝子

を同定することができます。

タグプロファイリングも、感度（カバレッジ）が調節可能なデジタルデー

図4: 高い相関を示すmRNA-Seqと定量PCRの結果

714遺伝子において、mRNA-Seqの発現比は定量PCRと高い相関を示しています。

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mRNA-Seq Fold-Change (Brain/UHR)

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HR

)

r = 0.966

−10 −5 0 5 10

−10

−5

0

5

10

図5: 1塩基の解像度でスプライスジャンクションとcSNPを検出

図6: mRNA-Seqのサンプル調製

イルミナのmRNA-Seqサンプル調製 キットは標準的な分子生物学手法を用いています。自動化されたシーケンステクノロジーと併用することで、最小限のハンズオン時間でデータを迅速に得ることができます。

イントロン・エクソンジャンクションの的確な位置の検出は、ギャップ（灰色の線）を伴う個々のリードのゲノムへのアライン結果で判定できます。1塩基多型（SNP）はリファレンスゲノムに対して異なる塩基をもつ複数のリードによって検出されます。図では期待されるGに対してAの多型が赤文字で表示されています。

1.5 hr 1.5 hr

1 hr 10 min

4.5 hr 20 min

2 hr 45 min

1.5 hr 30 min

1 hr 30 min

Total Time

Hands-On Time

11.5 hr 3.75 hr

< 1 weekサンプルからデータまでの時間

サンプル調製合計時間

PCR 濃縮

ゲル精製

アダプター付加

cDNA 合成

RNA 断片化

Poly-A RNA 抽出

タ、プローブ設計を必要としないバイアスのない探索、そしてゲノムデータベースの更新に合わせて再度アノテーションできるデータ、といったmRNA

-Seq同様の特長を有しています。タグプロファイリングは発現している遺伝子の全長をシーケンスしないため、より少ないリード数で高い感度を達成することができます。例えば、サンプルあたり1600万タグをシーケンスすれば、平均で細胞あたり1コピーの転写産物が48回カウントされることになり

ます。研究者は目的に合わせてカバ

レッジ深度を調節し、ダイナミックレンジを広げ、低発現転写産物の探索と定量を達成することができます。 またタグプロファイリングは、ハイブリダイゼーションベースのマイクロアレイ結果の検証法としても使うことができます。

高品質データタグプロファイリングでは位置が特定できる20あるいは21塩基ペアタグを

シーケンスします。得られた結果は真核生物ゲノムにおける新規転写産物同定などに用いることができます。理論的な計算では、ヒトゲノムのサイズで99.8%の21塩基ペアタグは1回しか起こりません1。16,000既知遺伝子から得られた結果を解析した結果では、ヒトゲノムにおいて75%の21塩基ペアタグが1回起こることが予想される、ということがわかりました1。残りのタグは重複遺伝子やリピート配列にマッチするものです。 タグプロファイリングは多様なmRNAの特徴付けに適しています。

SAGE法の20倍以上の感度をもつタグプロファイリングは、圧倒的なカバ

レッジ深度を誇ります。フローセルの1レーンでサンプルあたり数百万のタグを解析するため、効率的なダイナ

ミックレンジと優れた再現性をもち、低発現転写産物も検証することができます（図7）。 一般に、細胞あたり1コピーの転写産物は、およそ350,000ある転写産物の1コピーに相当する、と言われています。シーケンスデータを100万単位のテンプレート（TPM: templates per

million）で表示させると、Genome

図8: 定量PCRと高い相関を示すタグプロファイリング結果

MAQCサンプルを用いた実験では、定量PCRとタグプロファイリングの相関は0.93以上の結果を示しています。定量PCRで調べた629と625のRefSeq遺伝子は、NaIIIおよびDpnIIプロトコールで定量化されました。マイクロアレイデータとは異なり、発現比の圧縮は観察されず、傾きは1に近い値となっています。

図7: 低発現転写産物における優れた再現性を示すタグプロファイリングの結果

MAQCのヒト脳由来サンプルをタグプロファイリングプロトコールで調製し、フローセルの1レーンでシーケンスを行った実験を繰り返し行いました。結果はサンプル１とサンプル２で表示され、タグプロファイリングの高い再現性を示しています。同様の結果がMAQCのUHRサンプルでも観察されています。異なるサンプル間の発現差は、脳およびUHRの2レーンの結果を比較することで得られます。青点は量サンプルで発現差がなかったデータポイント、赤点は２倍以上の発現差を示します（p=0.95）。脳とUHRを比較したスキャッタープロットの灰色の四角で囲まれた部分は、1細胞あたり1転写産物以下（100万タグにつき3回のタグカウント）のデータを示しています。

0 2 4 6 8 10 12 14 160

2

4

6

8

10

12

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Brain UHR UHR vs. Brain

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2 C

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log

2)

Sam

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log

2)

Bra

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UHR Counts (log2)

Sample 1 Counts (log2)Sample 1 Counts (log

2)

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NlaIII Tags vs. qPCR Data DpnII Tags vs. qPCR Data

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0-5 5 10 -10 0-5 5 10

r = 0.933slope = 0.978

r = 0.935slope = 1.008

DATASHEET: ILLUMINA® RNA ANALYSIS

Analyzerでは1コピーの転写産物は3TPMで表示されます。従って、研究者はサンプルあたり1600万タグの結果が得られるとすると、1コピーの転写産物は48カウントされることになります。低発現あるいは全く発現していない転写産物をより信頼性高く判定したいのであれば、研究者はサンプルあたりの読み取りタグ数を増やすことで達成できます。

イルミナの研究者は、タグプロファイリングの結果はMAQCサンプルを用いた600以上の遺伝子における定量PCRの結果に相当する、という検証も行いました（図8）。発現比はこれらのアッセイで高い相関を示しており、また発現比の縮小も観察されませんでした。

アッセイワークフローイルミナでは、タグプロファイリングのためにmRNAの短い領域をシーケンスするためのシンプルなサンプル調製プロトコールをデザインしました。

シーケンス配列情報から短い鎖のタグを遺伝子にマップし、ある特定の制限酵素部位からの位置付けをします。このプロトコールでは転写産物に特異的なプローブを必要としないため、どの生物種でも、アノテーションの有無にかかわらず転写産物の探索と定量を行うことができます。 イルミナのタグプロファイリングサンプル調製はアダプターを両端に

付加した20あるいは21塩基ペアのcDNAタグを合成します。このプロトコールでは、2種類の制限酵素の選択をご用意しています。平均256塩基ごと制限酵素認識部位をもつNlaIIIは、ほとんどのmRNAをとらえることができます。NlaIIIで認識できない転写産物用には、DpnII制限酵素を用いたもうひとつのプロトコールをご提供しています。 テンプレートを合成した後は、

mRNA-Seqや他のアプリケーションと

同じように、自動化されたクラスター形成およびシーケンスを行います。

システムとソフトウェア

シーケンスデータ解析mRNA-Seqとタグプロファイリングはオープンアーキテクチャを用いたソフトウェアでデータが算出され、研究者は必要に応じて Genome Analyzerのデータ解析を進めることができます。Pipelineソフトウェアは、Genome

Analyzerで得られる蛍光シグナルからの一次データ取得、ベースコールおよび信頼スコア計算を実施します。リファレンスゲノムへのリードのアライメントや、遺伝子およびエクソンレベルでの発現量の決定、バリアントの同定といった高度なデータ解析は、Pipeline

および統合されたアルゴリズムを用いて行うことができます。これらの解析から得られた結果は、イルミナのGenomeStud io™ソフトウェアのRNA-Sequenceモジュールで視覚化することができます（図9）。結果はアノテーション情報を含むグラフィカルなゲノムビューワー（図3）を含みます。研究者はcSNPやエクソンジャン

クションを同定するために、1塩基レベルの解像度まで拡大することができます。また、エクソンおよび遺伝子のリストも表示でき、発現レベルを確認することもできます。 タグプロファイリングアプリケーションでは、イメージ解析、ベースコール、標準フィルターはPipelineで処理され、シーケンスタグとカウントのリストが産出されます。タグのリストはゲノム情報があればアノテーションされ、発現差解析に使用することができます（ソフトウェアはヒトおよびマウスゲノムの標準シーケンスを提供しています）。他の生物種の発現プロファイルはNCBI RefSeqデータベースやカリフォルニア大学サンタクルーズ（UCSC）ゲノムブラウザなどの公的データベースと比較することができます。

図9: GenomeStudio RNA-Sequenceモジュール

GenomeStudio RNA-Sequenceモジュールは遺伝子、エクソン、エクソンジャンクション、アレル（SNP検出）のためのグラフィカルな図や表といったデータの視覚化を可能にするツールです。

Small RNA探索とプロファイリングここ数年で解析がすすむ非コードSmall RNAは、転写および転写後の遺伝子発現調節を理解するための新しい考え方をもたらしました。Small RNA

が関与する遺伝子のサイレンシングは発達や疾患に重要な役割を持っており、診断のバイオマーカーとして価値がある、ということが数多くの文献で示唆されています2-4。過去10年で数多くのSmall RNAが同定されましたが、全ての核由来Small RNAの同定および機能解明は今後の研究が期待される分野です。 これまで Small RNAの特徴付けには、 計算上の予測や定量PCR、マイクロアレイなどが使われてきました。これらの手法はマイクロRNAの定量に

フォーカスしたものであり、またマイクロRNA配列情報および2次構造の知識を必要とするものでした。しかし、Genome Analyzer を用いた Small

RNA探索およびプロファイリングは、こうした事前知識を必要とせず新規のSmall RNA探索が可能で、またどの生物種でも実験が可能な強力なアプリ

ケーションとなっています5。 イルミナのGenome Analyzerでは、フローセルのレーンごとに1600万以上のタグが得られます。これまでのマイクロアレイによる手法とは異なり、サンプル内のSmall RNAの出現頻度をデジタルに計算するため、バックグランドノイズが非常に低く抑えられています。また、データは配列情報で保存されるため、公的データベースの更新に伴い、得られたデータのアノテーション更新も常に可能となります。

アッセイフローイルミナのサンプル調製プロトコールは、研究者がSmall RNAのサイズを選択することができます。塩基長によりゲルで精製されたSmall RNAの両端にアダプターをつけ、cDNAを合成します。Cluster Stationでフローセル上に

クラスター形成した後は、他のアプリケーションと同じようにシーケンス反応を行います。バイアスのないRNAサンプル調製と強力なシーケンスにより、全ゲノムレベルでのSmall RNA探索およびプロファイリングが可能となりました。

高品質データサイクルあたり99.6%以上の精度を誇るGenome Analyzerからは、フローセルのレーンあたり1600万以上のタグが産出されます。必要であれば、研究者はサンプルあたりのレーン数を増やしてカバ

レッジを重ねることで、より低発現のSmall RNA検出が可能となります。

データ解析Genome Analyzer で得られる Small

RNA結果は、オープンアーキテクチャのソフトウェアから産出されます。研究者は研究の目的に合わせてソフトウェアを変更することができます。イメージ解析、ベースコール、品質フィルタープロセスを経て、読み取り配列情報とタグカウントが得られ、ゲノム情報からのアノテーション追加や遺伝子発現研究との比較解析などの下流解析にお使いいただくことができます（図10, 11）。また、公的データベースのマイクロRNAと照合して既知 Small RNA のアノテーションを得ることもできます。

図10: Small RNA探索における解析例

SMALL RNA NAME CONTENT

hsa-let-7b 76,576

hsa-let-7f 66,100

hsa-let-7a 64,003

hsa-MIR-RG-82 1,931

has-miR-320 1,647

hsa-miR-584 564

hsa-miR-30a-3p 550

ヒト脳のトータルRNAから解析したSmall RNA結果の一例です。Sanger miRNAデータベースから200以上のSmall RNAが見つかりました。アノテーションされたデータの一部を表に示しています。

図11: 新規Small RNAの探索

マウス脳サンプルからのSmall RNA解析をしたところ、サンガーmiRNAデータベースにアラインしないタグが見つかりました。700コピー以上検出しているこのタグの配列を他の生物種と比較することで、ヒトとマウスのSmall RNAは2塩基しか違わず、ヒトにおいては既に報告されているもの(has-miR-598)であったことがわかりました。

RefSeq Genes Vertebrate Multi Alignment and Conservation

mouse G G G C T G C T A C G t c a t c g t c g t c a t c g t t a t c a t c a t rat G G G C T G C T A C G t c a t c g t c g t c a t c g t t a t c a t c a t human G G G G T G C T A c g t c a t c g t t g t c a t c g t c a t c a t c a t dog G G G G T G C T G c g t c a t c a t t g t c a t c a t c a t c a t c a t

DATASHEET: ILLUMINA® RNA ANALYSIS

まとめイルミナのテクノロジーは、遺伝子発現解析に必要な幅広い製品をご提供しています。mRNA-Seqとタグプロファイリングはシーケンステクノロジーを用いて転写産物を同定し発現レベルを決定します。この強力なテクノロジーはバイアスのない多くの生物種の転写産物探索を可能にします。Small RNA

プロファイリングはゲルにより精製した低分子の非コードRNAをシーケンスすることで、Small RNAの探索および既知マイクロRNAプロファイリングが同時に解析できます。また、イルミナのサンプル調製キットはシンプルで使いやすいようにデザインされており、最低限のハンズオン時間で数十億単位の塩基情報を産出します。イルミナはさらにシーケンステクノロジー以外にもマイクロアレイテクノロジーによる低価格の高サンプルスループット製品も揃えており、研究の用途に併せて最適なソリューションとサポートをご提供しています。

参考文献

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(2002) Using the transcriptome to annotate the genome.

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DATASHEET: ILLUMINA® RNA ANALYSIS

本製品の使用目的は研究に限定されます。

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代理店

製品名 QUANTITY カタログ番号

mRNA-Seq

mRNA-Seq Sample Prep Kit 8 サンプル RS-100-0801

GAII Standard Cluster Generation Kit1 フローセル お問い合わせ

10 フローセル お問い合わせ

36-Cycle Sequencing Kit お問い合わせ

タグプロファイリング 酵素

Tag Profiling Sample Prep Kit

NlaIII8 サンプル FC-102-1005

40 サンプル FC-102-1006

DpnII8 サンプル FC-102-1007

40 サンプル FC-102-1008

GAII Tag Profiling Cluster Generation Kit

NlaIII1 フローセル お問い合わせ

10 フローセル お問い合わせ

DpnII1 フローセル お問い合わせ

10 フローセル お問い合わせ

18-Cycle Sequencing Kit FC-104-3001

36-Cycle Sequencing Kit FC-104-3002

Small-RNA探索およびプロファイリング

Small RNA Sample Prep Kit8 サンプル FC-102-1009

40 サンプル FC-102-1010

GAII Small RNA Cluster Generation Kit1 フローセル お問い合わせ

10 フローセル お問い合わせ

18-Cycle Sequencing Kit お問い合わせ

36-Cycle Sequencing Kit お問い合わせ

PhiXコントロール

PhiX v2 Control Kit 10 レーン CT-901-2001

Genomic Sequencing Primer Kit 10 レーン CT-901-2002

製品情報

これらの製品は Genome Analyzer II および IIx でお使いいただけます。

追加情報Genome Analyzerおよび遺伝子発現解析アプリケーションについての詳しい情報は、弊社ウェブサイトをご覧いただくか、イルミナ株式会社までお問い合わせください。

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