PNAS：新型測序技術檢測DNA損傷
日期：2012-06-19 08:54:46
世界各地的科學家們正在競相對DNA進行測序以破譯遺傳的藍圖，將遺傳物質鏈通過分子大小的納米孔使得測序相比以往更快速更廉價。現在來自猶他大學的科學家們采用這種“納米”技術來發現可能導致突變和疾病的DNA損傷。化學家們在本周6月18日的《美國科學院院刊》（PNAS）上報告了最新的進展。
“我們在利用這一技術和有機合成化學從而在DNA通過納米孔時能夠看到損傷位點，”新研究的共同資深作者、猶他大學化學系主任和著名教授Henry White說。
DNA鏈是由已知的A、T、G和C“核苷酸堿基”構成，DNA鏈的一些片段是基因。
新方法尋找的是稱為“脫堿基位點”的堿基缺失位點，它是人類基因組30億堿基中最常見的一種損傷形式。當我們接觸到從陽光到汽車尾氣等一切事物時在一個典型的細胞中這種損傷每天發生1.8萬次。大部分損傷會得到修復，然而有時候它會導致基因突變并最終致病。
文章的另一位資深作者、猶他大學著名化學教授Cynthia Burrow說將納米孔損傷檢測與其他改變DNA的化學方法相結合，研究人員希望通過將損傷轉換為缺失的堿基從而使這種新技術能夠檢測到其他類型的DNA損傷。
她補充道：“DNA堿基損傷會導致許多年齡相關的疾病，包括黑色素瘤、肺癌、結腸癌和乳腺癌；亨廷頓舞蹈癥以及動脈粥樣硬化。”
朝著更廉價、更快速的DNA測序
測序就是指確定構成DNA雙螺旋結構的兩條堿基鏈其中一條核苷酸堿基A、C、G和T順序的過程。它是用于測定活生物體基因組或遺傳藍圖，以及發現基因中致病突變的一種基本方法。
White 說：“20年前，測序首個人類基因組的成本為10億美元，而現在成本支付在5千到2萬美金之間。國立衛生研究院已經啟動了為期數年的1000美金基因組計劃，未來價格有可能降到更低。”
DNA測序在很多方面都極其重要。它可被警察用于表明或澄清犯罪嫌疑，生物學家用它來了解每個活生物體。“你可以將它應用到農業中修飾一個植物基因組來生成更好的植物，”White說。
納米孔測序讓浸入在稱為電解質的電荷溶液中的DNA鏈通過納米孔。一些溶液也正流過孔隙。不同DNA堿基通過孔隙時，會阻止不同量的電氣化溶液通過孔隙從而研究人員可以檢測到不同的電流水平。
利用納米孔尋找損傷
與獲得DNA納米孔測序的努力不同，在DNA鏈通過孔隙時猶他大學的化學家們并沒有讀取DNA序列——盡管他們最終希望這樣做，然而“我們正在檢測的是單堿基損傷，”White說。
他補充說：“了解一個損傷堿基如何導致突變是非常重要的，因為這是疾病發生的第一步。現在，我們可以看到受損位點并說出它在我們正分析的DNA片段內大約位置。”——大約5個或10個堿基內。我們的目標是精確定位損傷位點，了解特異位點的損傷如何導致疾病。
到目前為止，猶他大學化學家們使通過納米孔的最長DNA片段為大約100個堿基，他們能夠檢測1個或2個受損位點。
White 說：“我們還有大量的研究要做，并提出改善的途徑。這是非常有前景的新方式。目前還沒有其他的方法可以做我們正試圖在做的事情，”換句話說，不僅確定損傷，而且得到序列信息精確定位在一條DNA上的損傷位點。
許多DNA測序儀和猶他大學化學家所利用的孔是一種稱為α-溶血素的來自細菌的蛋白。為了讓DNA通過這一孔隙，用玻璃管底部的玻璃膜制成一個小孔（僅400納米寬，大約一根人頭發的一半寬度）。脂質雙分子層擴展開，形成跨孔的膜。這種蛋白質孔嵌入在脂質雙層中。
蛋白質孔有點呈蘑菇形狀——頂部較寬用于捕獲DNA鏈，底部較窄是DNA鏈必須通過小孔之處。小孔最窄的部分只有1.4納米寬，相比必須通過孔隙的1納米寬的單鏈DNA并不寬多少。
數十億個構成一條DNA鏈的堿基附著到糖和磷酸鹽骨架上。為了以缺失堿基的形式尋找DNA損傷，研究人員接通了電壓，使得電流通過電解液。因為構成DNA骨架的磷酸鹽為負電荷，在孔外液體中的陽電極會拉著DNA通過孔隙。
研究人員通過去除一些堿基在一些DNA上構建出損傷。堿基缺失的地方，DNA骨架上的糖被暴露。化學家將一個環形或冠形的化學品“18-crown-6 ether”附著到糖上。
其訣竅是讓附著冠醚（crown ether）的DNA緩慢通過納米孔從而使缺失的堿基可以被檢測到。
Burrows將這一過程比喻成穿針。DNA鏈一旦通過針眼，就可以快速通過，存在的微小損傷位點（DNA中的凹痕）永遠不會被注意到。除了在這種情況下，化學家們將凹痕轉變為了DNA鏈的小環冠醚。DNA通過通過小孔的速度取決于標記DNA損傷位點的冠醚環的硬度和大小。這可以通過將鹽添加到環上進行改變。
化學家們測試了不同的鹽尋找最好的用作電解質：氯化鉀，氯化鋰和氯化鈉。無論是用什么鹽，正離子（鉀、鋰或鈉）在環內結合。當DNA鏈通過孔隙時這可以幫助研究人員讀取電流。
但是由于鉀太大，使得醚環如此堅硬它不能壓縮通過納米孔。鋰太小，使得醚環太快通過納米孔不能檢測到損傷。
但是當Burrows和同事們利用來自食鹽的鈉，DNA和標記DNA損傷位點的冠醚以適當的速度滑過納米孔被檢測到：一個未損傷DNA堿基大約百萬分之一秒，標記一個堿基缺失位點的一個冠醚環大約需千分之一秒，Burrows說。
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