發(fā)布日期：2018-05-14
最新的一項(xiàng)技術(shù)，使流感病毒第一次以它原始 RNA 的形態(tài)被測(cè)序出來(lái)。流感病毒的基因編碼，同其他病毒一樣，都儲(chǔ)存在 RNA 中，因此若想測(cè)得其基因序列，在之前有限的技術(shù)下，只能通過(guò)測(cè)序其逆轉(zhuǎn)錄后的 DNA 而獲得。但是，這項(xiàng)新發(fā)明，使用了納米孔測(cè)序技術(shù)，當(dāng)基因通過(guò)一個(gè)微小的分子泵時(shí)，能夠直接讀出其 RNA 序列。
“這是有史以來(lái)的第一次，我們能夠窺視基因原始的形態(tài)，”來(lái)自亞特蘭大疾病防控中心（CDC）的微生物學(xué)家 John Barnes 說(shuō)。Barnes 領(lǐng)導(dǎo)了這次研究，在 4 月 12 號(hào)的 BioRxiv 上發(fā)表了論文的預(yù)先版。他表示：“這會(huì)為后續(xù)的研究帶來(lái)很多可能性。”
Barnes 和他的團(tuán)隊(duì)最熱衷于研究病毒的基因，其他研究還涉及各種組織器官內(nèi)的 RNA，也包括人體內(nèi)的 RNA。研究人員一直以來(lái)，都想要通過(guò)測(cè)得 RNA 上的分子修飾，來(lái)闡明其在細(xì)胞功能中發(fā)揮的作用，但是一直難以進(jìn)行這類實(shí)驗(yàn)。
“這項(xiàng)發(fā)明將會(huì)帶來(lái)的最大突破，在于能夠發(fā)現(xiàn) RNA 的修飾，該成果是具有轉(zhuǎn)化意義的”歐洲生物信息研究所（EMBL-EBI）的聯(lián)合主任 Ewan Birney 這樣說(shuō)道。
圖丨Ewan Birney
RNA 在化學(xué)層面和它的表親 DNA 很像。在細(xì)胞有機(jī)體中，RNA 是 DNA 編碼基因和蛋白質(zhì)的橋梁，并在細(xì)胞中發(fā)揮其他作用。但是很多病毒，包括那些能導(dǎo)致埃博拉、脊髓灰質(zhì)炎和普通感冒的病毒，把它們的基因編碼儲(chǔ)存在 RNA 中，而非 DNA 中。
Barnes 也是 CDC 流感基因組學(xué)團(tuán)隊(duì)領(lǐng)頭，他說(shuō)沒(méi)有人曾做過(guò) RNA 測(cè)序，因?yàn)楦杏X(jué)幾乎不可能。過(guò)去測(cè)序原始 RNA 的方法，都需要破壞 RNA 的原始化學(xué)結(jié)構(gòu)，或者一個(gè)接一個(gè)的分離堿基，并且這些方法自從上世紀(jì)七十年代末發(fā)明以來(lái)，改變甚微。但 DNA 測(cè)序有很大的發(fā)展，于是相應(yīng)的，目前幾乎所有“RNA 測(cè)序”，都用一種逆轉(zhuǎn)錄酶，先把 RNA 逆轉(zhuǎn)錄成 DNA，再進(jìn)行 DNA 測(cè)序。
納米材料能夠?yàn)?RNA 測(cè)序提供一種更簡(jiǎn)單的方式。這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)讓電流接通一個(gè)納米級(jí)別的分子孔，當(dāng)基因材料穿過(guò)孔徑時(shí)，通過(guò)測(cè)量電流的波動(dòng)幅度，能得知通過(guò)的核苷酸是哪一個(gè)。
今年一月，牛津納米孔公司的研究人員利用一個(gè)叫做 MinION 的設(shè)備，直接測(cè)得了 RNA 序列。他們的這次嘗試把目標(biāo)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(zhì)。
圖丨MinION
Barnes 的團(tuán)隊(duì)把這項(xiàng)技術(shù)用在了流感病毒 A 的基因組中，這個(gè)病毒內(nèi)大約含有 13500 個(gè) RNA 堿基，并由 8 個(gè)片段組成。Barnes 說(shuō)，因?yàn)檫@項(xiàng)工作需要大量的流感病毒，并且必須去除掉不可避免的測(cè)序誤差，原始數(shù)據(jù)也要被處理很多次，所以他的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多次嘗試，調(diào)試了設(shè)備與誤差后，才得到 RNA 序列的結(jié)果。但是納米科技確實(shí)在快速發(fā)展著，Barnes 希望隨著進(jìn)一步的改良，流感和其他 RNA 病毒的直接測(cè)序能夠變成常規(guī)。
在 Barnes 和其他科學(xué)家的愿望清單上，第一項(xiàng)就是識(shí)別 RNA 的分子修飾。目前，已經(jīng)有超過(guò) 100 種分子修飾被發(fā)現(xiàn)，但是研究人員們對(duì)它們的作用卻知之甚少，很大部分原因是，科學(xué)家們不能系統(tǒng)的研究他們?cè)诜肿愚D(zhuǎn)錄翻譯層面、細(xì)胞功能層面、個(gè)體生理層面的作用，而新納米技術(shù)的出現(xiàn)有望解決該問(wèn)題。
目前，牛津納米孔團(tuán)隊(duì)的技術(shù)已經(jīng)能夠直接測(cè)得兩種常見(jiàn)的 RNA 修飾與標(biāo)記。該公司的咨詢師 Birney 分析到，而或許機(jī)器學(xué)習(xí)算法的加入，來(lái)破解標(biāo)記的含義，找到更多的修飾，會(huì)讓這個(gè)技術(shù)得到更大的發(fā)揮。
杜克大學(xué)的一位病毒學(xué)家 Bryan Cullen 表示，對(duì)修飾的 RNA 進(jìn)行測(cè)序一直是該領(lǐng)域的一個(gè)大難題。去年，他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)叫 m6A 的標(biāo)記，可能會(huì)在病毒感染小鼠時(shí)，導(dǎo)致病毒基因表達(dá)的改變，最終能夠使病毒繁殖。但是，發(fā)現(xiàn)這種標(biāo)記的這背后，是大量時(shí)間和資源的消耗，這就是目前 RNA 修飾檢測(cè)的現(xiàn)狀。
納米技術(shù)測(cè)序的優(yōu)點(diǎn)，除了能夠更方便的測(cè)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(xué) RNA 生物中心的聯(lián)合主任，他說(shuō)相比之下，現(xiàn)有的其他技術(shù)，由于破壞了原始結(jié)構(gòu)，最終的結(jié)果是大量 RNA 短序列的粗糙拼接，所以序列的多樣性會(huì)在這個(gè)過(guò)程中丟失。
Birney 說(shuō)，“雖然這項(xiàng)技術(shù)還未完善，生物學(xué)家依舊期待著，未來(lái)能夠直接測(cè)得整個(gè)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(dāng)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(duì)其形態(tài)功能直接的觀察，方法更加簡(jiǎn)單，精確度也大大提升。把納米材料應(yīng)用于 RNA 的直接測(cè)序，無(wú)疑是技術(shù)上的一個(gè)重大突破。
來(lái)源：DeepTech深科技
