Nature发布最大深度测序新技术

　　

生物通报道  一项新技术可以读取出构成DNA密码的“碱基”顺序（序列），其以足够的精度揭示出了细菌利用高速进化来击败抗生素的机制。由纽约大学Langone医学中心领导的这项研究的结果发布在6月22日的《自然》（Nature）杂志上。

这一称作为最大深度测序（Maximum Depth Sequencing,MDS）的技术，消除了当前高速DNA测序机器背后的一些核心方法引入的错误，捕获了极其罕见以致旧方法无法将它们与机器错误区分开来的一些遗传改变。

资深作者、纽约大学Langone医学中心生物化学与分子药理学系教授、霍华德休斯医学研究所研究员Evgeny Nudler博士说：“第一次我们能够直接检测一个细菌遗传密码DNA序列的标准变化率，及细菌以比平均快数倍的速度开启遗传改变使得抗生素被废弃的‘热区’。”

“除了抗生素耐药，这一技术也许很快能够让我们找到所有细胞群体，包括早在种植肿瘤之前，血流中准备癌变的细胞中极其罕见的遗传改变，”Nudler说。

特别深度的测序

先进的、高通路测序机器可在大约10小时内确定构成个体整个遗传密码（基因组）的30亿个碱基的顺序，细菌的基因组越小所需的时间越少。有了这种能力，人们对碱基顺序随机发生改变与疾病的关联获得了新的认识。

为了确定DNA样本中的碱基顺序，这样的技术会将DNA链打碎成片段，利用DNA聚合酶来复制附着条形码的每个片段序列，条形码标记可以独特地识别出每个原始的DNA片段。随后，机器会生成每个拷贝的大量副本，使其数量达到一些利用发光探针的技术能够捕捉到它们按顺序鉴别出每个碱基。

采用这些标准方法有一个问题就是，在最初的聚合酶复制步骤中生成的错误会出现在所有的拷贝中。这使得没有办法区分出这些错误及与疾病风险日益紧密联系在一起的，DNA序列中罕见的、自然发生的改变（突变）。

新论文中描述的第一个创新是，利用了聚合酶来建立远离原始DNA片段末端的条形码，而非生成易于出错的测序片段拷贝并随后扩增错误。然后这种方法生成了多个独立拷贝的带条形码的原始DNA片段。通过这种方式，由聚合酶或指定机器中测序过程引入的错误，只会出现在少数生成的序列版本中，但不会都在同样的位置，这使得能够排除掉它们。

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新方法并非测序整个基因组，而是集中于较短的DNA区域。通过将机器的能力集中于“感兴趣的DNA区域”，研究人员能够在单次运行中多次测序每个原始片段。

研究结果围绕着环境对DNA链造成的不断的损伤与快速DNA修复机制之间的竞争。专家预测，在细菌细胞中每小时DNA被损伤数千次，但一些修复机制意味着它们的DNA密码随时间推移缓慢的改变。

利用这一新技术，作者们第一次能够以足够的统计严谨性观察突变，准确地计算出了大肠杆菌中标准的持续的突变率。了解基础突变率还向研究人员揭示出了当暴露于抗生素时，在大肠杆菌基因组的某些区域突变发生频率比平均要高10倍。

具体说来，研究小组发现采用不足以全部杀死细菌的剂量，氨苄西林和诺氟沙星通过在细菌细胞中造成氧化应激和DNA损伤，关闭了错配DNA修复——当复制DNA时生成修复错误的一个系统。压力上升使得细菌带着围绕治疗进化的目的，更快速地改变它们的DNA密码。

Nudler说：“我们永远不会看到这些过程，但现在有希望利用它们来消除细菌利用来获得耐药性的一种基本的机制。”

除了能够找到细菌DNA中的罕见突变，MDS有望用于检测人类细胞群中的罕见突变。可以想象到采用血液检测它能够识别出在肿瘤形成很早以前细胞中的罕见“癌前”遗传突变。相关的研究已在进行之中。

Evgeny Nudler的主要研究方向包括转录、压力反应和一氧化氮。2013年，Nudler领导纽约大学的研究人员证实一氧化氮除了有助于增加血流、传递神经信号和调节免疫功能，还能过延长寿命，增强生物抵抗环境压力的能力。这一成果发布在Cell杂志上（Cell：小分子的大功绩 ）。

紫外线和其他环境因素不多对我们的DNA造成破坏，可以说我们的健康在很大程度上依赖于细胞发现和修复DNA损伤的能力。2014年，Nudler教授的一项研究展示，RNA聚合酶负责在基因组中搜寻DNA损伤，并招募盟友对其进行修复。这一机制能够有效减少突变，帮助人体控制癌症和其他疾病。这项研究发表在Nature杂志上（Nature解答转录争议，RNA聚合酶修复DNA ）。

2014年9月16日在《eLife》发表的一项研究中，Nudler与科学家们首次报道称，一种称为翻译延伸因子eEF1A1的蛋白质，可“精心策划”热休克反应的整个过程。通过这样做，eEF1A1可支持细胞内的整体蛋白质动态平衡，从而确保它在各种内部和外部压力条件下正常发挥作用。研究人员认为，这一发现可能揭示了神经退行性疾病和癌症的一个很有前途的新药物靶点。eEF1A1在蛋白质合成中发挥明确的作用，这项研究又向我们展示了它的一个新角色（细胞热休克反应的主要调节因子 ）。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文索引：

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