第三代测序技术领军人物Nature子刊新成果

　　

生物通报道：来自华盛顿大学的研究人员发表了题为“Reading DNA at single-nucleotide resolution with a mutant MspA nanopore and phi29 DNA polymerase”的文章，报道了第三代DNA测序技术新机制——纳米孔检测核酸碱基数增加至20-30个，这将激化目前纳米孔测序技术市场竞争，相关成果公布在Nature Biotechnology杂志上。

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文章的通讯作者是华盛顿大学的物理学家Jens H.Gundlach教授，他在纳米孔测序技术方面成就赫然，曾经设计出了一种可以在纳米孔内对DNA进行快速测序的新方法，这种纳米微孔只有1个纳米大小，仅够用来测量一个DNA的单分子链。

对于这一最新成果，他表示，“为了能获得可行的，易于操控的测序平台”，“我们提高了一种蛋白纳米孔的效用，这种纳米孔能与分子马达共同作用，帮助DNA链每次通过一个核苷酸。”

 

第三代测序技术

接二连三的个人基因组图谱绘制陆续完成，说明了第二代测序技术的强大力量，但是第二代测序技术很快就遇上了强劲的对手——第三代测序技术，也就是被称为下下一代的测序（next-next-generation sequencing）的直接测序方法。这一测序技术是基于纳米孔（nanopore）的单分子读取技术，不同于之前的两代技术（需要荧光或者化学发光物质的协助下, 通过读取DNA聚合酶或DNA连接酶将碱基连接到DNA链上过程中释放出的光学信号而间接确定的），可以直接读取序列信息，简洁快速。这种方法读取数据更快、有望大大降低测序成本，改变个人医疗的前景。

但是纳米孔测序技术也存在瓶颈——DNA链通过纳米孔的速度太快，以致来不及对碱基进行检测，因此科学家们想尽办法降低这一速度，之前研究人员曾报道，利用一种来自耻垢分枝杆菌porin A（Mycobacterium smegmatis porin A.）基因工程蛋白孔，创造了纳米孔，这种纳米孔大小为十亿分之一米，正好能让一条DNA单链通过。

为了能阅读这些数据，纳米孔需要被放置在钾氯化合物溶液环境的膜中，并加上一个小电压，制造离子电流穿过纳米孔。电信号会随着通过纳米孔的核苷酸变化而变化，每种DNA核苷酸——胞嘧啶，胸腺嘧啶，鸟嘌呤，腺嘌呤都有各自不同的信号。

（DNA链测序电流信号（上图）对应于DNA不同核苷酸：胸腺嘧啶，鸟嘌呤，腺嘌呤和胞嘧啶（下图））

分子马达降低DNA通过速度

研究人员还加上了一种分子马达，这种马达来自一种与病毒复制相关的酶，能推动DNA链通过纳米孔阅读器。这种马达是由来自加州大学圣克鲁斯分校的研究人员首次应用到纳米孔中的，但是他们利用的是一个不同的纳米孔，不能识别不同类型的核苷酸。

Gundlach教授的这篇最新文章则采用了一种新型的纳米孔，通过六种不同的DNA链，成功证明了这种技术。这些结果对应于已知的DNA链，读长区域为42-53核苷酸。

Gundlach教授表示，“这个马达能驱使DNA链，以每个核苷酸几十毫秒的速度穿过纳米孔，这使得DNA通过纳米孔的速度减慢，从而能阅读电流信号”。具体来说，这个分子马达就是称为phi29的蛋白，这种蛋白在DNA运动通过纳米孔时可与DNA形成松散的结合，从而使DNA的运动速度慢了下来，使得每秒通过纳米孔的核酸碱基数为20至30个，从而有可能对每一个经过纳米孔的碱基进行识别。

纳米孔设计

新型纳米微孔只有1个纳米大小，仅够用来测量一个DNA的单分子链。研究人员把微孔放在一层浸泡在氯化钾溶液中的膜上，并施加一个小的电压，让电流通过微孔。不同的核苷酸通过纳米微孔时，回路中的电流就会随之改变，这些电流称为特征信号。胞核嘧啶、鸟嘌呤、腺嘌呤和胸腺嘧啶这些DNA的基本组成要素，会生成不同的特征信号。

研究人员利用耻垢分枝杆菌porin A的纳米孔创建一个DNA电子阅读器，这种方法可在极小尺度上对DNA进行测序，并且测序速度更快、相对更加便宜。他们的实验表明，这一方法具有对卫生保健产生广泛影响的潜力。

识别DNA如何被修饰

Gundlach教授还指出这种纳米孔技术也可以用于识别个体DNA如何被修饰的，这些修饰，比如表观遗传学DNA修饰能随着细胞内化学反应，应答不同环境条件的变化。

“表观遗传学修饰对某些方面，比如癌症疾病至关重要”，他说，能通过DNA测序，识别表观遗传变化，“这正是纳米孔测序技术的迷人魅力之一。”（生物通：张迪）

下篇： 华盛顿大学再获第三代DNA测序突破

原文摘要：

Reading DNA at single-nucleotide resolution with a mutant MspA nanopore and phi29 DNA polymerase

Nanopore technologies are being developed for fast and direct sequencing of single DNA molecules through detection of ionic current modulations as DNA passes through a pore's constriction1, 2. Here we demonstrate the ability to resolve changes in current that correspond to a known DNA sequence by combining the high sensitivity of a mutated form of the protein pore Mycobacterium smegmatis porin A (MspA)3 with phi29 DNA polymerase (DNAP)4, which controls the rate of DNA translocation through the pore. As phi29 DNAP synthesizes DNA and functions like a motor to pull a single-stranded template through MspA, we observe well-resolved and reproducible ionic current levels with median durations of ~28 ms and ionic current differences of up to 40 pA. Using six different DNA sequences with readable regions 42–53 nucleotides long, we record current traces that map to the known DNA sequences. With single-nucleotide resolution and DNA translocation control, this system integrates solutions to two long-standing hurdles to nanopore sequencing2