Single-cell genomic analysis has grown rapidly in recent years and will find widespread applications in various fields of biology, including cancer biology, development, immunology, pre-implantation genetic diagnosis, and neurobiology. In this study, we amplified genomic DNA from individual hippocampal neurons using one of three single-cell DNA amplification methods (multiple annealing and looping-based amplification cycles (MALBAC), multiple displacement amplification (MDA), and GenomePlex whole genome amplification (WGA4)). We then systematically evaluated the genome coverage, GC-bias, reproducibility, and copy number variations among individual neurons. Our results showed that single-cell genome sequencing results obtained from the MALBAC and WGA4 methods are highly reproducible and have a high success rate. Chromosome-level and subchromosomal-level copy number variations among individual neurons can be detected.

Single-cell genomic analysis has grown rapidly in recent years and will find widespread applications in various fields of biology, including cancer biology, development, immunology, pre-implantation genetic diagnosis, and neurobiology. In this study, we amplified genomic DNA from individual hippocampal neurons using one of three single-cell DNA amplification methods (multiple annealing and looping-based amplification cycles (MALBAC), multiple displacement amplification (MDA), and GenomePlex whole genome amplification (WGA4)). We then systematically evaluated the genome coverage, GC-bias, reproducibility, and copy number variations among individual neurons. Our results showed that single-cell genome sequencing results obtained from the MALBAC and WGA4 methods are highly reproducible and have a high success rate. Chromosome-level and subchromosomal-level copy number variations among individual neurons can be detected.

Next generation sequencing (NGS) has revolutionized life sciences research. Recently, a new class of third-generation sequencing platforms has arrived to meet increasing demands in the clinic, capable of directly measuring DNA and RNA sequences at the single-molecule level without amplification. Here, we use the new GenoCare single molecule sequencing platform from Direct Genomics to resequence the E. coli genome and show comparable performance to the Illumina MiSeq system. Our platform detects single-molecule fluorescence by total internal reflection microscopy, with sequencing-by-synthesis chemistry. With a consensus sequence of 99.71% nucleotide identity to that of the Illumina MiSeq system's, GenoCare was determined to be a reliable platform for single-molecule sequencing, with strong potential for clinical applications.

Third generation sequencing is a direct measurement of DNA/RNA sequences at the single molecule level without amplification. In this study, we report sequencing of the genome of the M13 virus by a new single molecule sequencing platform. Our platform detects single molecule fluorescence by the total internal reflection microscope technique, with sequencing-by-synthesis chemistry. We sequenced the genome of M13 to a depth of 316x and 100% coverage. The consensus sequence accuracy is 100%. We demonstrated that single molecule sequencing has no significant GC bias.

The demand of non-invasive prenatal testing for autosomal aneuploidy using cell-free fetal DNA (cffDNA) in maternal plasma is a highly sought-after diagnostic, with a rapidly growing market. Current approaches developed by next generation sequencing (NGS) need PCR amplifcation during sample preparation, which results in amplification bias in GC-rich areas of the human genome. With these approaches, the minimum fetal fraction in maternal plasma is 4% for the small differences in circulating cfDNA between trisomic and disomic pregnancies to be detectable. In this paper, we performed single molecule sequencing of cell-free DNA from maternal plasma for noninvasive trisomy 13, 18 and 21 detections using the GenoCare platform. We found that single molecule sequencing is sensitive enough to detect these chromosome abnormalities when the fetal DNA fraction is as low as 2%. Compared to the Hiseq2500 platform, no significant GC bias was observed. The improved sensitivity and unbiased GC readout make GenoCare a promising platform for autosomal aneuploidy detections, even in the very early stage of pregnancy.

The molecular alteration in circulating cell-free DNA (cfDNA) in plasma can reflect the status of the human body in a timely manner. Hence, cfDNA has emerged as important biomarkers in clinical diagnostics, particularly in cancer. However, somatic mutations are also commonly found in healthy individuals, which extensively interfere with the diagnostic results in cancer. This study was designed to examine the background somatic mutations in white blood cells (WBC) and cfDNA for healthy controls based on the sequencing data from 1134 samples, to understand the patterns and origin of mutations detected in cfDNA. We determined the mutation frequencies in both the WBC and cfDNA groups of the samples by a panel of 50 cancer-associated genes which covered 20K nucleotide regions using ultra-deep sequencing with average depth >40000 folds. Our results showed that most of mutations in cfDNA originated from WBC. We also observed that NPM1 gene was the most frequently mutant gene in both WBC and cfDNA. Our study highlighted the importance of sequencing both cfDNA and WBC, to improve the sensitivity and accuracy for calling cancer-related mutations from circulating tumor DNA, and shielded light on developing the early cancer diagnosis by cfDNA sequencing.

With the rapid decline cost of sequencing, it is now clinically affordable to examine multiple genes in a single disease-targeted test using next generation sequencing. Current targeted sequencing methods require a separate step of targeted capture enrichment during sample preparation before sequencing, and the library preparation process is labor intensive and time consuming. Here, we introduced an amplification-free Single Molecule Targeted Sequencing (SMTS) technology, which combined targeted capture and sequencing in one step. We demonstrated that this technology can detect low-frequency mutations of cancer genes. SMTS has several advantages, namely that it requires little sample preparation and avoids biases and errors introduced by PCR reaction. This technology can be applied in cancer gene mutation detection, inherited condition screening and high-resolution human leukocyte antigen (HLA) typing.

Background: Remarkable advances for clinical diagnosis and treatment in cancers including lung cancer involve cell-free circulating tumor DNA (ctDNA) detection through next generation sequencing. However, before the sensitivity and specificity of ctDNA detection can be widely recognized, the consistency of mutations in tumor tissue and ctDNA should be evaluated. The urgency of this consistency is extremely obvious in lung cancer to which great attention has been paid to in liquid biopsy field. Methods: We have developed an approach named systematic error correction sequencing (Sec-Seq) to improve the evaluation of sequence alterations in circulating cell-free DNA. Averagely 10 ml preoperative blood samples were collected from 30 patients containing pulmonary space occupying pathological changes by traditional clinic diagnosis. cfDNA from plasma, genomic DNA from white blood cells, and genomic DNA from solid tumor of above patients were extracted and constructed as libraries for each sample before subjected to sequencing by a panel contains 50 cancer-associated genes encompassing 29 kb by custom probe hybridization capture with average depth >40000, 7000, or 6300 folds respectively. Results: Detection limit for mutant allele frequency in our study was 0.1%. The sequencing results were analyzed by bioinformatic expertise based on our previous studies on the baseline mutation profiling of circulating cell-free DNA and the clinicopathological data of these patients. Among all the lung cancer patients, 78% patients were predicted as positive by ctDNA sequencing when the shreshold was defined as at least one of the hotspot mutations detected in the blood (ctDNA) was also detected in tumor tissue. Pneumonia and pulmonary tuberculosis were detected as negative according to the above standard. When evaluating all hotspots in driver genes in the panel, 24% mutations detected in tumor tissue (tDNA) were also detected in patients blood (ctDNA). When evaluating all genetic variations in the panel, including all the driver genes and passenger genes, 28% detected in tumor tissue (tDNA) were also detected in patients blood (ctDNA). Positive detection rates of plasma ctDNA in stage I lung cancer patients is 85%, compared with 17% of tumor biomarkers. Conclusion: We demonstrated the importance of sequencing both circulating cell-free DNA and genomic DNA in tumor tissue for ctDNA detection in lung cancer currently. We also determined and confirmed the consistency of ctDNA and tumor tissue through NGS according to the criteria explored in our studies. Our strategy can initially distinguish the lung cancer from benign lesions of lung. Our work shows that the consistency will be benefited from the optimization in sensitivity and specificity in ctDNA detection.

Abstract BACKGROUND Early detection of lung cancer to allow curative treatment remains challenging. Cell-free circulating tumor DNA (ctDNA) analysis may aid in malignancy assessment and early cancer diagnosis of lung nodules found in screening imagery. METHODS The multi-center clinical study enrolled 192 patients with operable occupying lung diseases. Plasma ctDNA, white blood cell genomic DNA (gDNA) and tumor tissue gDNA of each patient were analyzed by ultra-deep sequencing to an average of 35,000X of the coding regions of 65 lung cancer-related genes. RESULTS The cohort consists of a quarter of benign lung diseases and three quarters of cancer patients with all histopathology subtypes. 64% of the cancer patients is at Stage I. Gene mutations detection in tissue gDNA and plasma ctDNA results in a sensitivity of 91% and specificity of 88%. When ctDNA assay was used as the test, the sensitivity was 69% and specificity 96%. As for the lung cancer patients, the assay detected 63%, 83%, 94% and 100%, for Stage I, II, III and IV, respectively. In a linear discriminant analysis, combination of ctDNA, patient age and a panel of serum biomarkers boosted the overall sensitivity to 80% at a specificity of 99%. 29 out of the 65 genes harbored mutations in the lung cancer patients with the largest number found in TP53 (30% plasma and 62% tumor tissue samples) and EGFR (20% and 40%, respectively). CONCLUSION Plasma ctDNA was analyzed in lung nodule assessment and early cancer detection while an algorithm combining clinical information enhanced the test performance.