歷史首次，流感病毒基因終於能直接以它原始 RNA 形式被測出

最新的一項技術，使流感病毒第一次以它原始 RNA 的形態被測序出來。流感病毒的基因編碼，同其他病毒一樣，都儲存在 RNA 中，因此若想測得其基因序列，在之前有限的技術下，只能通過測序其逆轉錄後的 DNA 而獲得。但是，這項新發明，使用了納米孔測序技術，當基因通過一個微小的分子泵時，能夠直接讀出其 RNA 序列。

「這是有史以來的第一次，我們能夠窺視基因原始的形態，」來自亞特蘭大疾病防控中心（CDC）的微生物學家 John Barnes 說。Barnes 領導了這次研究，在 4 月 12 號的 BioRxiv 上發表了論文的預先版。他表示：「這會為後續的研究帶來很多可能性。」

Barnes 和他的團隊最熱衷於研究病毒的基因，其他研究還涉及各種組織器官內的 RNA，也包括人體內的 RNA。研究人員一直以來，都想要通過測得 RNA 上的分子修飾，來闡明其在細胞功能中發揮的作用，但是一直難以進行這類實驗。

「這項發明將會帶來的最大突破，在於能夠發現 RNA 的修飾，該成果是具有轉化意義的」歐洲生物信息研究所（EMBL-EBI）的聯合主任 Ewan Birney 這樣說道。

圖丨Ewan Birney

RNA 在化學層面和它的表親 DNA 很像。在細胞有機體中，RNA 是 DNA 編碼基因和蛋白質的橋樑，並在細胞中發揮其他作用。但是很多病毒，包括那些能導致埃博拉、脊髓灰質炎和普通感冒的病毒，把它們的基因編碼儲存在 RNA 中，而非 DNA 中。

Barnes 也是 CDC 流感基因組學團隊領頭，他說沒有人曾做過 RNA 測序，因為感覺幾乎不可能。過去測序原始 RNA 的方法，都需要破壞 RNA 的原始化學結構，或者一個接一個的分離鹼基，並且這些方法自從上世紀七十年代末發明以來，改變甚微。但 DNA 測序有很大的發展，於是相應的，目前幾乎所有「RNA 測序」，都用一種逆轉錄酶，先把 RNA 逆轉錄成 DNA，再進行 DNA 測序。

納米材料能夠為 RNA 測序提供一種更簡單的方式。這項技術通過讓電流接通一個納米級別的分子孔，當基因材料穿過孔徑時，通過測量電流的波動幅度，能得知通過的核苷酸是哪一個。

今年一月，牛津納米孔公司的研究人員利用一個叫做 MinION 的設備，直接測得了 RNA 序列。他們的這次嘗試把目標放在了信使 RNA，其在 RNA 家族中的作用為傳遞 DNA 的信息，翻譯蛋白質。

圖丨MinION

Barnes 的團隊把這項技術用在了流感病毒 A 的基因組中，這個病毒內大約含有 13500 個 RNA 鹼基，並由 8 個片段組成。Barnes 說，因為這項工作需要大量的流感病毒，並且必須去除掉不可避免的測序誤差，原始數據也要被處理很多次，所以他的團隊進行了多次嘗試，調試了設備與誤差後，才得到 RNA 序列的結果。但是納米科技確實在快速發展著，Barnes 希望隨著進一步的改良，流感和其他 RNA 病毒的直接測序能夠變成常規。

在 Barnes 和其他科學家的願望清單上，第一項就是識別 RNA 的分子修飾。目前，已經有超過 100 種分子修飾被發現，但是研究人員們對它們的作用卻知之甚少，很大部分原因是，科學家們不能系統的研究他們在分子轉錄翻譯層面、細胞功能層面、個體生理層面的作用，而新納米技術的出現有望解決該問題。

目前，牛津納米孔團隊的技術已經能夠直接測得兩種常見的 RNA 修飾與標記。該公司的諮詢師 Birney 分析到，而或許機器學習演算法的加入，來破解標記的含義，找到更多的修飾，會讓這個技術得到更大的發揮。

杜克大學的一位病毒學家 Bryan Cullen 表示，對修飾的 RNA 進行測序一直是該領域的一個大難題。去年，他的團隊發現了一個叫 m6A 的標記，可能會在病毒感染小鼠時，導致病毒基因表達的改變，最終能夠使病毒繁殖。但是，發現這種標記的這背後，是大量時間和資源的消耗，這就是目前 RNA 修飾檢測的現狀。

納米技術測序的優點，除了能夠更方便的測得 RNA 修飾外，還能夠顯示出 RNA 病毒序列隱藏的多樣性。Stacy Horner 是杜克大學 RNA 生物中心的聯合主任，他說相比之下，現有的其他技術，由於破壞了原始結構，最終的結果是大量 RNA 短序列的粗糙拼接，所以序列的多樣性會在這個過程中丟失。

Birney 說，「雖然這項技術還未完善，生物學家依舊期待著，未來能夠直接測得整個病毒的基因，和正常生物體中的其他 RNA 分子。」越微小越重要，當我們所利用的材料尺度越微小，越可以在更接近分子的層面對其形態功能直接的觀察，方法更加簡單，精確度也大大提升。把納米材料應用於 RNA 的直接測序，無疑是技術上的一個重大突破。

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