Nature發布最大深度測序新技術

編輯推薦：

一項新技術可以讀取出構成DNA密碼的「鹼基」順序（序列），其以足夠的精度揭示出了細菌利用高速進化來擊敗抗生素的機制。由紐約大學Langone醫學中心領導的這項研究的結果發布在6月22日的《自然》（Nature）雜誌上。

生物通報道 一項新技術可以讀取出構成DNA密碼的「鹼基」順序（序列），其以足夠的精度揭示出了細菌利用高速進化來擊敗抗生素的機制。由紐約大學Langone醫學中心領導的這項研究的結果發布在6月22日的《自然》（Nature）雜誌上。

這一稱作為最大深度測序（Maximum Depth Sequencing,MDS）的技術，消除了當前高速DNA測序機器背後的一些核心方法引入的錯誤，捕獲了極其罕見以致舊方法無法將它們與機器錯誤區分開來的一些遺傳改變。

資深作者、紐約大學Langone醫學中心生物化學與分子藥理學系教授、霍華德休斯醫學研究所研究員Evgeny Nudler博士說：「第一次我們能夠直接檢測一個細菌遺傳密碼DNA序列的標準變化率，及細菌以比平均快數倍的速度開啟遺傳改變使得抗生素被廢棄的『熱區』。」

「除了抗生素耐葯，這一技術也許很快能夠讓我們找到所有細胞群體，包括早在種植腫瘤之前，血流中準備癌變的細胞中極其罕見的遺傳改變，」Nudler說。

特別深度的測序

先進的、高通路測序機器可在大約10小時內確定構成個體整個遺傳密碼（基因組）的30億個鹼基的順序，細菌的基因組越小所需的時間越少。有了這種能力，人們對鹼基順序隨機發生改變與疾病的關聯獲得了新的認識。

為了確定DNA樣本中的鹼基順序，這樣的技術會將DNA鏈打碎成片段，利用DNA聚合酶來複制附著條形碼的每個片段序列，條形碼標記可以獨特地識別出每個原始的DNA片段。隨後，機器會生成每個拷貝的大量副本，使其數量達到一些利用發光探針的技術能夠捕捉到它們按順序鑒別出每個鹼基。

採用這些標準方法有一個問題就是，在最初的聚合酶複製步驟中生成的錯誤會出現在所有的拷貝中。這使得沒有辦法區分出這些錯誤及與疾病風險日益緊密聯繫在一起的，DNA序列中罕見的、自然發生的改變（突變）。

新論文中描述的第一個創新是，利用了聚合酶來建立遠離原始DNA片段末端的條形碼，而非生成易於出錯的測序片段拷貝並隨後擴增錯誤。然後這種方法生成了多個獨立拷貝的帶條形碼的原始DNA片段。通過這種方式，由聚合酶或指定機器中測序過程引入的錯誤，只會出現在少數生成的序列版本中，但不會都在同樣的位置，這使得能夠排除掉它們。

了解聯川生物深度測序技術服務的更多信息

新方法並非測序整個基因組，而是集中於較短的DNA區域。通過將機器的能力集中於「感興趣的DNA區域」，研究人員能夠在單次運行中多次測序每個原始片段。

研究結果圍繞著環境對DNA鏈造成的不斷的損傷與快速DNA修復機制之間的競爭。專家預測，在細菌細胞中每小時DNA被損傷數千次，但一些修復機制意味著它們的DNA密碼隨時間推移緩慢的改變。

利用這一新技術，作者們第一次能夠以足夠的統計嚴謹性觀察突變，準確地計算出了大腸桿菌中標準的持續的突變率。了解基礎突變率還向研究人員揭示出了當暴露於抗生素時，在大腸桿菌基因組的某些區域突變發生頻率比平均要高10倍。

具體說來，研究小組發現採用不足以全部殺死細菌的劑量，氨苄西林和諾氟沙星通過在細菌細胞中造成氧化應激和DNA損傷，關閉了錯配DNA修復——當複製DNA時生成修復錯誤的一個系統。壓力上升使得細菌帶著圍繞治療進化的目的，更快速地改變它們的DNA密碼。

Nudler說：「我們永遠不會看到這些過程，但現在有希望利用它們來消除細菌利用來獲得耐藥性的一種基本的機制。」

除了能夠找到細菌DNA中的罕見突變，MDS有望用於檢測人類細胞群中的罕見突變。可以想像到採用血液檢測它能夠識別出在腫瘤形成很早以前細胞中的罕見「癌前」遺傳突變。相關的研究已在進行之中。

Evgeny Nudler的主要研究方向包括轉錄、壓力反應和一氧化氮。2013年，Nudler領導紐約大學的研究人員證實一氧化氮除了有助於增加血流、傳遞神經信號和調節免疫功能，還能過延長壽命，增強生物抵抗環境壓力的能力。這一成果發布在Cell雜誌上（Cell：小分子的大功績）。

紫外線和其他環境因素不多對我們的DNA造成破壞，可以說我們的健康在很大程度上依賴於細胞發現和修復DNA損傷的能力。2014年，Nudler教授的一項研究展示，RNA聚合酶負責在基因組中搜尋DNA損傷，並招募盟友對其進行修復。這一機制能夠有效減少突變，幫助人體控制癌症和其他疾病。這項研究發表在Nature雜誌上（Nature解答轉錄爭議，RNA聚合酶修復DNA）。

2014年9月16日在《eLife》發表的一項研究中，Nudler與科學家們首次報道稱，一種稱為翻譯延伸因子eEF1A1的蛋白質，可「精心策劃」熱休克反應的整個過程。通過這樣做，eEF1A1可支持細胞內的整體蛋白質動態平衡，從而確保它在各種內部和外部壓力條件下正常發揮作用。研究人員認為，這一發現可能揭示了神經退行性疾病和癌症的一個很有前途的新藥物靶點。eEF1A1在蛋白質合成中發揮明確的作用，這項研究又向我們展示了它的一個新角色（細胞熱休克反應的主要調節因子）。

（生物通：何嬙）

生物通推薦原文索引：

Rates and mechanisms of bacterial mutagenesis from maximum-depth sequencing, Nature, DOI: 10.1038/nature18313

我來說兩句(0)

[Ctrl+Enter]

請您繼續閱讀更多來自 今日熱點 的精彩文章:

※Nature Methods發布突破性測序技術
※Nature Methods：便攜、低成本的單細胞RNA測序新手段
※Nature 子刊：第三代測序技術或將迎來新升級
※Nature Methods：中山大學中山眼科中心團隊發表三代測序計算方法
※中國學者在Nature Methods發表論文，介紹三代測序數據計算方法的突破
※張鋒Nature Methods新成果！這次無關CRISPR，而是一項測序技術……
※單分子實時測序技術Oxford Nanopore
※首個！Illumina子公司推出DNA APP Store，打造「基因測序領域的蘋果」
※Nat. Methods：更精細！多維度！單細胞RNA測序又往前一步
※華人學者Science發表RNA測序壯舉
※NGS市場調查，Illumina「重磅測序儀」並沒有最吸引人
※Nature綜述｜二代測序：深度解析耐葯機制，對抗耐葯新契機
※PacBio SMRT測序又一力作——《Nature》刊登高質量向日葵基因組組裝結果
※未來組基因組測序中心再添一強將——BioNano Saphyr平台
※Nature故事：他用DNA測序技術，讓百年腫瘤「變廢為寶」
※Nat Commun：手機檢測致癌突變，測序它也行！
※Oncotarget：對白血病研究常用細胞系進行測序 提高結果重複性
※Illumina要出售1300台NovaSeq測序儀？股票要大漲啦
※Science：新方法讓RNA測序精準度提高至少3 10倍