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重大技术进步(NanoSeq)搞定“任意组织的基因突变”

【字体: 时间:2021年04月29日 来源:生物通

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  这种被称为纳米速率测序(NanoSeq)的新方法使研究人类组织中基因变化的精确性达到前所未有的程度成为可能。

Wellcome Sanger研究所的科学家解决了长期存在的技术难题,科学家们第一次能够研究任何人类组织的DNA变化。

这种被称为纳米速率测序(nanorate sequencing,NanoSeq)的新方法使研究人类组织中基因变化的精确性达到前所未有的程度成为可能。

这项研究发表在今天(4月28日)的《Nature》杂志上,代表了癌症和衰老研究的重大进展。利用NanoSeq研究血液、结肠、大脑和肌肉样本,这项研究也挑战了细胞分裂是驱动基因变化的主要机制的观点。这一新方法也有望使研究人员能够研究致癌物质对健康细胞的影响,并且比目前更容易、更大规模地进行研究。

我们体内的组织由分裂的和不分裂的细胞组成。干细胞在我们的一生中不断自我更新,并负责提供非分裂细胞以维持身体运转。我们身体中的绝大多数细胞是不分裂的或很少分裂的。它们包括血液中的粒细胞,每天产生数十亿粒细胞,寿命很短,或者大脑中的神经元,寿命更长。

随着年龄的增长,我们的细胞会发生被称为体细胞突变的基因变化。这是一个自然的过程,细胞每年获得大约15-40个突变。这些突变大多数是无害的,但其中一些可以使细胞走上癌症的道路。

自从二十世纪末基因组测序技术问世以来,癌症研究人员通过研究肿瘤DNA中的体细胞突变,已经能够更好地了解癌症的形成以及如何治疗癌症。近年来,新技术也使科学家能够研究取自健康组织的干细胞突变。

但到目前为止,基因组测序还不够精确,无法研究非分裂细胞中的新突变,这意味着我们绝大多数细胞中的体细胞突变无法准确观察。

在这项新的研究中,Wellcome Sanger研究所的研究人员试图改进一种称为双重测序的高级测序方法。研究小组搜索了双链序列数据中的错误,发现这些错误集中在DNA片段的末端,并发现了其他特征,表明为测序准备DNA的过程中存在缺陷。

然后,他们对DNA制备过程进行了改进,比如使用特定的酶更干净地切割DNA,以及改进生物信息学方法。在四年的时间里,精确性得到了提高,直到每十亿个DNA字母中只有不到五个错误。

领导该方法开发的Wellcome Sanger研究所的Robert Osborne博士说:“检测只存在于一个或几个细胞中的体细胞突变在技术上具有极大的挑战性。你必须在数以千万计的DNA字母中找到一个字母的变化,而以前的测序方法根本不够准确。因为NanoSeq每十亿个DNA字母中只有几个错误,我们现在能够准确地研究任何组织中的体细胞突变。”

研究小组利用NanoSeq所提高的敏感性,比较了几种人体组织类型中干细胞和非分裂细胞的突变率和模式。

令人惊讶的是,对血细胞的分析发现,在缓慢分裂的干细胞和更快速分裂的祖细胞中有相似数量的突变。这表明细胞分裂不是引起血细胞突变的主要过程。对不分裂的神经元和很少分裂的肌肉细胞的分析也表明,突变在没有细胞分裂的细胞中积累,并且与血液中的细胞速度相似。

Wellcome Sanger研究所论文的第一作者Federico Abascal博士说:“人们通常认为,细胞分裂是体细胞突变发生的主要因素,分裂的次数越多,突变的次数就越多。但我们的分析发现,分裂次数比其他细胞多很多的血细胞具有相同的突变率和模式。这改变了我们对突变的看法,并表明除细胞分裂外的其他生物学机制是关键。”

观察所有细胞突变的能力开辟了研究癌症和衰老的新途径,例如研究烟草或阳光照射等已知致癌物的影响,以及发现新的致癌物。这样的研究可以大大提高我们对生活方式的选择和接触致癌物质如何导致癌症的理解。

NanoSeq方法的另一个好处是相对容易采集样品。不需要对组织进行活组织检查,可以通过非侵入性的方式收集细胞,例如刮取皮肤或擦拭喉咙。

来自Wellcome Sanger研究所的论文的资深作者Inigo Martincorena博士说:“在这项研究中,小规模应用NanoSeq已经让我们重新考虑我们认为我们对突变的了解,这是令人兴奋的。NanoSeq还将使更大规模的体细胞突变研究变得更容易、更便宜、更具侵入性。我们现在可以研究数百名患者的样本,观察任何组织中的体细胞突变,而不是分析少数患者的活检,只能观察干细胞或肿瘤组织。”

原文检索:Somatic mutation landscapes at single-molecule resolution

(生物通:伍松)

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