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最新技术:流感病毒的原始RNA的形态被测序出来

2018-05-15 00:00


最新技术:流感病毒的原始RNA的形态被测序出来

DeepTech深科技 / 2018-05-15
 

       最新的一项技术,使流感病毒第一次以它原始 RNA 的形态被测序出来。流感病毒的基因编码,同其他病毒一样,都储存在 RNA 中,因此若想测得其基因序列,在之前有限的技术下,只能通过测序其逆转录后的 DNA 而获得。但是,这项新发明,使用了纳米孔测序技术,当基因通过一个微小的分子泵时,能够直接读出其 RNA 序列。

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       “这是有史以来的第一次,我们能够窥视基因原始的形态,”来自亚特兰大疾病防控中心(CDC)的微生物学家 John Barnes 说。Barnes 领导了这次研究,在 4 月 12 号的 BioRxiv 上发表了论文的预先版。他表示:“这会为后续的研究带来很多可能性。”

       Barnes 和他的团队最热衷于研究病毒的基因,其他研究还涉及各种组织器官内的 RNA,也包括人体内的 RNA。研究人员一直以来,都想要通过测得 RNA 上的分子修饰,来阐明其在细胞功能中发挥的作用,但是一直难以进行这类实验。

       “这项发明将会带来的最大突破,在于能够发现 RNA 的修饰,该成果是具有转化意义的”欧洲生物信息研究所(EMBL-EBI)的联合主任 Ewan Birney 这样说道。

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图丨 Ewan Birney

       RNA 在化学层面和它的表亲 DNA 很像。在细胞有机体中,RNA 是 DNA 编码基因和蛋白质的桥梁,并在细胞中发挥其他作用。但是很多病毒,包括那些能导致埃博拉、脊髓灰质炎和普通感冒的病毒,把它们的基因编码储存在 RNA 中,而非 DNA 中。

       Barnes 也是 CDC 流感基因组学团队领头,他说没有人曾做过 RNA 测序,因为感觉几乎不可能。过去测序原始 RNA 的方法,都需要破坏 RNA 的原始化学结构,或者一个接一个的分离碱基,并且这些方法自从上世纪七十年代末发明以来,改变甚微。但 DNA 测序有很大的发展,于是相应的,目前几乎所有“RNA 测序”,都用一种逆转录酶,先把 RNA 逆转录成 DNA,再进行 DNA 测序。

       纳米材料能够为 RNA 测序提供一种更简单的方式。这项技术通过让电流接通一个纳米级别的分子孔,当基因材料穿过孔径时,通过测量电流的波动幅度,能得知通过的核苷酸是哪一个。

       今年一月,牛津纳米孔公司的研究人员利用一个叫做 MinION 的设备,直接测得了 RNA 序列。他们的这次尝试把目标放在了信使 RNA,其在 RNA 家族中的作用为传递 DNA 的信息,翻译蛋白质。

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图丨 MinION

       Barnes 的团队把这项技术用在了流感病毒 A 的基因组中,这个病毒内大约含有 13500 个 RNA 碱基,并由 8 个片段组成。Barnes 说,因为这项工作需要大量的流感病毒,并且必须去除掉不可避免的测序误差,原始数据也要被处理很多次,所以他的团队进行了多次尝试,调试了设备与误差后,才得到 RNA 序列的结果。但是纳米科技确实在快速发展着,Barnes 希望随着进一步的改良,流感和其他 RNA 病毒的直接测序能够变成常规。

       在 Barnes 和其他科学家的愿望清单上,第一项就是识别 RNA 的分子修饰。目前,已经有超过 100 种分子修饰被发现,但是研究人员们对它们的作用却知之甚少,很大部分原因是,科学家们不能系统的研究他们在分子转录翻译层面、细胞功能层面、个体生理层面的作用,而新纳米技术的出现有望解决该问题。

       目前,牛津纳米孔团队的技术已经能够直接测得两种常见的 RNA 修饰与标记。该公司的咨询师 Birney 分析到,而或许机器学习算法的加入,来破解标记的含义,找到更多的修饰,会让这个技术得到更大的发挥。

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       杜克大学的一位病毒学家 Bryan Cullen 表示,对修饰的 RNA 进行测序一直是该领域的一个大难题。去年,他的团队发现了一个叫 m6A 的标记,可能会在病毒感染小鼠时,导致病毒基因表达的改变,最终能够使病毒繁殖。但是,发现这种标记的这背后,是大量时间和资源的消耗,这就是目前 RNA 修饰检测的现状。

       纳米技术测序的优点,除了能够更方便的测得 RNA 修饰外,还能够显示出 RNA 病毒序列隐藏的多样性。Stacy Horner 是杜克大学 RNA 生物中心的联合主任,他说相比之下,现有的其他技术,由于破坏了原始结构,最终的结果是大量 RNA 短序列的粗糙拼接,所以序列的多样性会在这个过程中丢失。

       Birney 说,“虽然这项技术还未完善,生物学家依旧期待着,未来能够直接测得整个病毒的基因,和正常生物体中的其他 RNA 分子。”越微小越重要,当我们所利用的材料尺度越微小,越可以在更接近分子的层面对其形态功能直接的观察,方法更加简单,精确度也大大提升。把纳米材料应用于 RNA 的直接测序,无疑是技术上的一个重大突破。
 


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