新型的显微镜平台可快速经济地检测致病变异

【字体: 时间:2018年11月08日 来源:生物通

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  弗吉尼亚联邦大学物理学系的研究人员Sean R Koebley和Jason Reed采用高速原子力显微镜(HS-AFM)对标记的DNA进行成像,有效分辨率可达15 bp。

  

新一代测序(NGS)的出现激发了精准医疗或个性化医疗的梦想。如今人们有望根据个人的遗传代码、生活方式和环境来设计最佳的疗法。然而,由于技术和成本的限制,这个梦想并不容易实现。为此,科学家也在不断寻找快速便宜的遗传诊断方法。近日,弗吉尼亚联邦大学的研究人员介绍了一种新型的高速原子力显微镜平台。

考虑到重复、结构变异和杂合变异在疾病中占主导因素,短读长测序平台自身已不能满足临床诊断的需求。因此,研究人员大多将二代测序(Illumina)和三代测序(PacBio和Oxford Nanopore)结合起来,实现极其准确的全基因组测序。对于科研而言,这种测序成本是合理的,但临床应用无疑需要更便宜、更快速的替代方案。

遗传图谱(genetic mapping)带来了一种替代方案,有望以高效的方式鉴定致病变异。光学图谱技术(如Opgen和BioNano)能够沿着长达250 kb的链检测荧光探针的位置,然后将获得的图谱与参考图谱进行比较,以确定插入缺失、重复或其他变异的存在和特征。不过,它也存在一些限制,如小于10 kb的变异通常无法定位。

于是,弗吉尼亚联邦大学物理学系的研究人员Sean R Koebley和Jason Reed等人采用高速原子力显微镜(HS-AFM)对标记的DNA进行成像,有效分辨率可达15 bp。他们早前将研究成果发表在《Nature Communications》杂志上。

原子力显微镜是20世纪80年代发明的一种成像技术,其分辨率远远超过光学显微镜。 它的基本原理类似于唱片播放器:通过微小的针尖来研究物体表面的结构及性质。当针尖在表面光栅化时,可收集纳米级分辨率的三维图像。然而,AFM成像的速度较慢,以1 nm/像素对1 μm2的区域进行扫描需要10分钟的时间,这无法应用于高通量诊断。

研究人员新开发的高速原子力显微镜能够在保持纳米级分辨率的基础上,将收集速率提高1000倍。利用这种系统对1 μm2的区域进行成像,在1秒钟内就能实现。它可以在单幅画面中测定几kb的链,并且将多幅画面拼在一起能够读取几乎无限长度的分子。

样品制备的过程也很简单,只需将DNA简单地沉积在带正电荷的表面上。成像速度和准确性的组合让人们能够确定不同种类的长度,如插入缺失或拷贝数变异。

此外,研究人员最近将dCas9作为HS-AFM成像中一个可编程的生物标志物。由于Cas9分子的直径大于DNA的直径,故可以分辨Cas9的结合位置。他们对一个或多个sgRNA-Cas9复合物进行编程,使其结合一组目标(如Alu重复元件),以获得Cas9分子的图谱并与参考图谱进行比较。

除了分辨率方面的改进,这项技术的一个明显优势在于它的经济性。AFM的针尖成本低于20美元,其他的一些组件也不贵。因此,与传统的测序、绘图甚至是AFM平台相比,这种新型的系统更加经济实惠。研究人员估计整台设备的价格低于1万美元,而单个样品的制备成本也相当低廉。

研究人员认为,在这个基因组时代,这种基于高速原子力显微镜扫描的纳米图谱方法有望协助疾病和多样性的临床评估。(生物通 薄荷)

原文检索

Can a new microscopy platform help to improve clinical outcomes?

BIOTECHNIQUES VOL. 65, NO. 5 | https://doi.org/10.2144/btn-2018-0102

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