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不“放過”任何堿基:PNAS、Nature共造基因測序新方法

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關(guān)鍵詞:基因測序,堿基

      日前,來自哥倫比亞大學(xué)、哈弗大學(xué)及美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局的研究人員報(bào)道了使用蛋白納米孔陣列實(shí)現(xiàn)了單堿基分辨率的實(shí)時(shí)單分子電子DNA測序,相關(guān)結(jié)果以《Real-Time Single Molecule Electronic DNA Sequencing by Synthesis Using Polymer Tagged Nucleotides on a Nanopore Array》為題發(fā)表在PNAS雜志上。

      基因測序是實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的關(guān)鍵技術(shù),推動了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展,完整的個(gè)人基因組序列為醫(yī)療診斷及醫(yī)療保健提供了重要的標(biāo)志和指導(dǎo)方針。目前,獲取高精度序列面臨著成本和速度兩大挑戰(zhàn)。在過去的十幾年中,測序取得了很大的進(jìn)展,目前廣泛使用的高通量技術(shù)依賴于對DNA四個(gè)堿基的光學(xué)檢測,為了探討可替代的檢測技術(shù),逐漸發(fā)展起DNA模板的電子測序,并應(yīng)用于遺傳學(xué)分析。

    不“放過”任何堿基:PNAS、Nature共造基因測序新方法

      PNAS和Nature子刊:實(shí)時(shí)單分子電子DNA測序

      近兩年開發(fā)的納米孔測序,依賴于單鏈DNA通過納米孔時(shí)在電壓的作用下產(chǎn)生了可用于序列檢測的電子信號,然而,由于DNA四個(gè)堿基的化學(xué)結(jié)構(gòu)非常相似,因此不容易通過這種方法來區(qū)分,因此研究者們一直致力于尋找和發(fā)展一個(gè)精準(zhǔn)的單分子電子DNA測序平臺,以生產(chǎn)一種小型化的能夠破譯基因組的DNA測序儀。

      2012年,研究人員曾在《Scientific Reports》報(bào)道了納米孔測序單分子邊合成邊測序(SBS)的原理。如今,研究人員在PNAS上描述了利用完整的SBS系統(tǒng)產(chǎn)生的單堿基水平單分子電子測序數(shù)據(jù)。SBS系統(tǒng)通過在四個(gè)堿基分別標(biāo)記上不同的聚合物,聚合酶會將標(biāo)記的核苷酸添加到DNA鏈上,同時(shí)釋放出聚合物標(biāo)簽,這些標(biāo)簽通過納米孔時(shí)引起電流變化,根據(jù)不同標(biāo)簽造成的電信號差異,可以準(zhǔn)確分辨出相應(yīng)的堿基。

      研究人員將聚合酶栓系在α-hemolysin納米孔上,在芯片上排除納米孔陣列,隨后用多重化的納米孔傳感器搭建了高通量的測序平臺,該平臺使用多聚物標(biāo)記的核苷酸,可在單分子水平上對多個(gè)DNA模板進(jìn)行平行測序,通過這種方式,研究人員獲得了實(shí)時(shí)的單分子測序數(shù)據(jù)。

      優(yōu)化措施多,發(fā)展空間大

      研究人員表示,“納米孔SBS方法的新穎性要從設(shè)計(jì)、合成及四種堿基不同聚合物標(biāo)記的選擇講起,我們用DNA聚合酶共價(jià)連接到納米孔和聚合物標(biāo)記物的堿基上,在DNA復(fù)制過程中,帶有聚合物標(biāo)記的堿基通過堿基互補(bǔ)原則連接到待測序的鏈上,通過納米孔時(shí)釋放出獨(dú)特的信號,就是這種獨(dú)特信號幫助我們實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)單分子測序,同時(shí)克服了納米孔測序面臨的障礙。此外,可對聚合物標(biāo)記的大小、電荷和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),從而實(shí)現(xiàn)最佳分辨率的SBS系統(tǒng),該項(xiàng)目為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)提供了前所未有的具有成本效益的遺傳診斷平臺”。

      據(jù)研究人員表示,目前基于SBS的測序儀所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過PNAS所報(bào)道。最近已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超過1000個(gè)堿基的讀取長度。談及未來,研究人員表示將繼續(xù)調(diào)整連接器及在分子水平上調(diào)整聚合物標(biāo)記的結(jié)構(gòu)和電荷來優(yōu)化該系統(tǒng),希望最終能在該系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速和低成本的全人類基因組測序,并用于常規(guī)的醫(yī)學(xué)診斷。

    (審核編輯: 滄海一土)

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