手持基因测序仪问世 仅手机大小
环球科学 · 2015/11/07
康涅狄格州立大学的研究人员通过使用一种比手机还要小的手持测序仪,对自然界中已知的最复杂基因的RNA进行了测序。


康涅狄格州立大学的研究人员通过使用一种比手机还要小的手持测序仪,对自然界中已知的最复杂基因的RNA进行了测序。

当一个DNA链穿过纳米孔测序仪MinION时,MinION可以“看见”五个核苷酸。五个核苷酸一组会生成一个特征电流,使MinION可以连续读出DNA编码。

如果说DNA是生命模板,那么RNA就是建筑承包商。RNA测序可以帮助人们解读细胞之中到底发生了什么。

康涅狄格州立大学系统基因组学研究所的基因学家Brenton Graveley、其同事博士后Mohan Bolisetty和研究生Gopinath Rajadinakaran与英国牛津纳米孔技术公司宣称,该公司的MinION测序仪可以更快更好地对基因进行测序,并且成本远低于现在普遍使用的技术。他们在9月30日的《基因组生物学》杂志发表论文,介绍了他们的测序技术。

如果你的基因是一个图书馆,每个基因是一本书,那么有一些基因是可以直接读取的——但是有些基因更像一个“读者自选情节”的小说(一种小说体裁,通过提供多个可能情节供读者选择,届时跳转到相应页数或段落,从而使读者参与故事的构建)。研究人员常常想知道在体内表达的到底是基因的哪个版本,但这对于那些复杂的“读者自选情节”基因是不可能的。

Graveley,Bolisetty和Rajadinakaran从两方面着手,解决了这个问题。首先是要找到一个更好的基因测序技术。用现有的旧技术为基因测序的话,研究人员首先要使用和我们机体一样的化学过程对其进行复制,然后把复制出的很多条基因序列切成片段,阅读每一个片段,之后再通过比较每一个片段找出最初它们是如何拼接的。这个技术之所以可行,是因为不是每条复制的基因序列都会被切成相同的片段。想像一下,把一部电影中的镜头顺序打乱后观看,如果再看一遍同一部电影,但是剪接处略有不同,就可以对比这两个版本并从中找出哪些镜头本来是相连的。

这种技术对“自选情节”的基因是没有用的,因为如果你用与机体相同的方式以RNA的方式复制它们,每一条复制出的基因序列都与下一条有一点——或者很大的不同。这种同一基因的不同版本被称为基因亚型。对这些不同的亚型剪切测序,就不可能准确地比较这些片段并找出最初的基因版本。

如果基因是一部电影,“你也许不知道镜头1和镜头2是同步的,”Bolisetty说。

就在去年,这个几乎不可能的事突然变成了可能。总部位于英国的牛津纳米孔公司发布了新的纳米孔测序仪,并为Graveley的实验室提供了一台。这台名为MinION的纳米测序仪可以使一条DNA链通过一个微小的孔隙。孔隙每次只能通过五个碱基——这是组成我们基因的“字母”。碱基有四种:G、A、T、C,因此有1024种可能出现的五碱基组合,每种组合都会在纳米孔中产生不同的电流。GGGGA产生与AGGGG不同的电流,而后者产生的电流与CGGGG又不一样。通过让DNA链进入纳米孔并记录它们产生的信号,研究人员就可以得知DNA的序列。

关于解决办法的另一个方面,Graveley、Bolisetty和Rajadinakaran决定玩一把大的。他们放没有对旧的“自选情节”基因测序,而是选择了最复杂的、被称为唐氏综合征细胞粘附分子1(Dscam1)的基因,该基因可以控制果蝇脑的神经回路连接。Dscam1有38016种可能出现的亚型,每一只果蝇都有可能产生其中任意的一种,但实际上存在有多少种亚型仍然未知。

Dscam1看着像是这样:X-12-X-48-X-33-X-2-X,X表示始终相同的部分,数字部分可能有所不同(数字本身代表着那一部分有多少不同选项)。

为了研究苍蝇大脑中究竟存在多少种不同的Dscam1的亚型,研究人员首先得把Dscam1基因的DNA分子转变为RNA。如果DNA是一本书或者一部使用说明,RNA就是抄写员,它将书或者使用说明的内容拷贝下来,再翻译成蛋白质。DNA包含着Dscam1基因中所有38016种亚型的转录方式,而每个Dscam1RNA只体现其中一种转录方式。此前没有人用MinION来对RNA序列进行测序,尽管这应该是可行的,演示并展示它的效果也将实质性的推进该领域的工作。

Rajadinakaran从果蝇脑中提取了DNA,转化成tNA,分离Dscam1 DNA的RNA片段并让它们通过MinION纳米孔测序仪。在一次实验中,他们不仅发现,38016种可能亚型中有7899种被被表达,而且还应该有更多种亚型可能被表达出来,如果不是所有都可以的话。

“许多人说‘MinION没什么用处,’”Graveley说,“但是我们研究显示它可以进行已知的最复杂基因的研究工作。”

研究显示,基因测序技术现在可以被研究人员更加广泛地使用,因为MinION即相对廉价又十分轻便,几乎不占用实验空间。

“这种类型的尖端工作将使康涅狄格州立大学站在技术的前沿领域并增加我们基因组学研究所的投资,”康涅狄格州立大学系统基因学研究所主任MarcLalande说,“同时,也正是由于大学学术计划(the University's Academic Plan)对基因组学的投资,Brent Graveley才能利用他的专业知识使我校的教师学生能成功的竞争到捐款并成立生物科学公司。”

Graveley将于12月3日在纽约基因组中心召开的牛津MinION纳米孔公司社区会议上就该研究进行演讲。


Brent Graveley实验室的MinION基因测序仪采用先进技术,大小相当于一个iPhone,售价仅为1000美元。

下一步,研究人员计划进行的更深入的研究:将单一细胞内RNA的每部分进行彻底测序,这是传统基因测序无法完成的。

“神奇的是,这项技术可以改变我们研究RNA科学的方法和我们获取信息的方式,”Graveley说,“再加上MinION是一种可以插进笔记本的手持测序仪,用它真是不可思议的酷!”

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