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突破測序瓶頸!精準“釣捕”助力評估人類健康

來源:中國科學報 時間:2022-01-20 15:05:43

迄今為止,人類還無法從單個堿基分辨率水上檢測到脫氧尿嘧啶(dU)。這成為DNA序列檢測的盲區和瓶頸之一,嚴重阻礙了對dU功能的認知和對DNA遺傳密碼的理解。

1月17日,中科院院士、同濟大學教授陳義漢課題組和同濟大學研究員馬紅輝課題組、復旦大學研究員胡晉川課題組共同在《美國化學會志》發表文章。研究人員借助一種特殊的酶分子,發明了靈敏好、特異強和分辨率高的DNA檢測技術,第一次用酶法在單堿基分辨率水上精準檢測DNA中的dU,實現了DNA中dU堿基檢測技術的根本突破。

突破測序瓶頸

眾所周知,DNA是生物體的遺傳密碼。通常認為它們包括腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鳥嘌呤(G)和胞嘧啶(C)等4個堿基。后來的研究發現,DNA中還存在另外的堿基dU。這些堿基共同組成了DNA的基本元素。

“從原核生物到真核生物,從單細胞生物到人類,除A、T、G和C外,它們的DNA中還包含著比例不等的dU。但是迄今為止,人類還難以從單堿基分辨率水上檢測到dU,這阻礙了對dU功能的認知和對DNA遺傳密碼的理解。”陳義漢告訴《中國科學報》。

在艾滋病病毒的DNA中,每20個堿基就有一個以上的dU;在瘧原蟲的DNA中,dU占堿基的比例約為十萬分之一。dU既能通過C堿基脫氨產生,又能“冒充”T堿基摻入到基因組中。

由于缺乏敏感又特異的單堿基分辨率dU測序技術,人們不能像其他堿基(A、T、G和C)那樣實現dU在DNA中的精準定位。

“也就是說,現在的dU檢測技術可以證實若干堿基中存在dU堿基,但不能確定dU堿基位于哪些具體的堿基之間。”論文第一作者、同濟大學博士研究生江柳丹對《中國科學報》說,“dU堿基的生物學意義是什么?dU堿基在疾病發生發展中的意義又是什么?要回答這些問題,必須取得單堿基分辨率水上dU堿基檢測和定位的突破。不能在單堿基分辨率水上精準定位堿基,就無法從DNA序列層面推斷堿基編碼的氨基酸和蛋白質序列。”

精準“釣捕” 化敵為友

dU具有“雙面”——有時是人類健康的朋友,有時又可能化身為人類健康的敵人。

“很多報道發現,當機體面對不同抗原時,免疫細胞需要dU作為中間體,產生多種多樣的抗體,幫助抵御諸如新冠病毒之類的病原體對人類的侵害。”論文共同通訊作者馬紅輝說,“而當腫瘤或心血管疾病患者體內出現dU時,則可能導致患者的基因組不穩定,加速病情發展。”

顯然,精準檢測dU在DNA中的分布情況,將有助于評估人類個體的生理學機能和疾病的預后。然而,尋找DNA中dU的精確位置如同大海撈針。

研究人員經過多年探索,最終發明了優越的單堿基分辨率的dU測序技術。

馬紅輝介紹說,該測序技術首先要找到一個合適的“鉤子”—— 一類恥垢分枝桿菌來源、名為UdgX的新型糖苷酶。該糖苷酶能夠將DNA的dU切除,形成一個缺口,并同時與對應的核糖形成共價鍵,最終將其捕獲。

作為“鉤子”的糖苷酶“釣”到含dU的DNA片段后,還需要進一步確定dU位置。接下去,要發揮DNA高保真聚合酶特。這個酶如同行駛在DNA軌道上的列車,當碰到被這種糖苷酶標記的dU缺口時,就會被動地原地“停車”。

然后,研究人員結合高通量測序技術,將“停車”信號放大,最終在單個堿基的水上精確地定位dU在DNA乃至基因組上的位置。

酶法檢測優勢明顯

為便于該測序技術的傳播和普及,研究人員將其命名為Ucaps-seq。從此,一個基于新型糖苷酶的在單堿基分辨率水上的dU檢測技術誕生了。

基于該技術,人們可以像檢測DNA中的A、T、G和C那樣,精確檢測DNA中的dU。

“Ucaps-seq測序技術是國際上第一個酶法檢測DNA中的dU堿基的技術。”陳義漢說,“現存的dU測序技術均為化學法,酶法測序技術明顯優于化學法測序技術。”

酶法測序技術靈敏好、特異強、分辨率高。此外,該技術還具有實際應用中效率高、成本低,很少發生假陽,也很少受到干擾因素影響的特點。例如,既有的dU化學測序技術需要先利用一種酶切除dU,使之成為無嘧啶的位點,而這樣的處理較難與DNA自身存在的無嘧啶位點區分,不可避免地導致假陽發生。

為進一步驗證Ucaps-seq測序技術的有效,研究人員首先在合成的DNA探針模型上驗證了該測序技術的原理,然后在誘變后的癌癥細胞和B細胞中,驗證了Ucaps-seq測序技術的單堿基分辨率效能,最后對基因編輯脫靶進行了評估,發現該測序技術對基因編輯脫靶具有強大的識別能力。

“Ucaps-seq技術的誕生,特別是其檢測試劑盒的應用,將像其他堿基檢測一樣便捷高效。”陳義漢說,“這將大大推進核酸序列檢測、遺傳密碼破譯和人類對核酸的認知。”

(記者 張雙虎 黃辛)

標簽: 釣捕 人類健康 助力評估 測序瓶頸

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