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歷史首次,流感病毒基因終於能直接以它原始 RNA 形式被測出

歷史首次,流感病毒基因終於能直接以它原始 RNA 形式被測出

來自專欄 DeepTech深科技

最新的一項技術,使流感病毒第一次以它原始 RNA 的形態被測序出來。流感病毒的基因編碼,同其他病毒一樣,都儲存在 RNA 中,因此若想測得其基因序列,在之前有限的技術下,只能通過測序其逆轉錄後的 DNA 而獲得。但是,這項新發明,使用了納米孔測序技術,當基因通過一個微小的分子泵時,能夠直接讀出其 RNA 序列。

「這是有史以來的第一次,我們能夠窺視基因原始的形態,」來自亞特蘭大疾病防控中心(CDC)的微生物學家 John Barnes 說。Barnes 領導了這次研究,在 4 月 12 號的 BioRxiv 上發表了論文的預先版。他表示:「這會為後續的研究帶來很多可能性。」

Barnes 和他的團隊最熱衷於研究病毒的基因,其他研究還涉及各種組織器官內的 RNA,也包括人體內的 RNA。研究人員一直以來,都想要通過測得 RNA 上的分子修飾,來闡明其在細胞功能中發揮的作用,但是一直難以進行這類實驗。

「這項發明將會帶來的最大突破,在於能夠發現 RNA 的修飾,該成果是具有轉化意義的」歐洲生物信息研究所(EMBL-EBI)的聯合主任 Ewan Birney 這樣說道。

RNA 在化學層面和它的表親 DNA 很像。在細胞有機體中,RNA 是 DNA 編碼基因和蛋白質的橋樑,並在細胞中發揮其他作用。但是很多病毒,包括那些能導致埃博拉、脊髓灰質炎和普通感冒的病毒,把它們的基因編碼儲存在 RNA 中,而非 DNA 中。

Barnes 也是 CDC 流感基因組學團隊領頭,他說沒有人曾做過 RNA 測序,因為感覺幾乎不可能。過去測序原始 RNA 的方法,都需要破壞 RNA 的原始化學結構,或者一個接一個的分離鹼基,並且這些方法自從上世紀七十年代末發明以來,改變甚微。但 DNA 測序有很大的發展,於是相應的,目前幾乎所有「RNA 測序」,都用一種逆轉錄酶,先把 RNA 逆轉錄成 DNA,再進行 DNA 測序。

納米材料能夠為 RNA 測序提供一種更簡單的方式。這項技術通過讓電流接通一個納米級別的分子孔,當基因材料穿過孔徑時,通過測量電流的波動幅度,能得知通過的核苷酸是哪一個。

今年一月,牛津納米孔公司的研究人員利用一個叫做 MinION 的設備,直接測得了 RNA 序列。他們的這次嘗試把目標放在了信使 RNA,其在 RNA 家族中的作用為傳遞 DNA 的信息,翻譯蛋白質。

圖丨MinION

Barnes 的團隊把這項技術用在了流感病毒 A 的基因組中,這個病毒內大約含有 13500 個 RNA 鹼基,並由 8 個片段組成。Barnes 說,因為這項工作需要大量的流感病毒,並且必須去除掉不可避免的測序誤差,原始數據也要被處理很多次,所以他的團隊進行了多次嘗試,調試了設備與誤差後,才得到 RNA 序列的結果。但是納米科技確實在快速發展著,Barnes 希望隨著進一步的改良,流感和其他 RNA 病毒的直接測序能夠變成常規。

在 Barnes 和其他科學家的願望清單上,第一項就是識別 RNA 的分子修飾。目前,已經有超過 100 種分子修飾被發現,但是研究人員們對它們的作用卻知之甚少,很大部分原因是,科學家們不能系統的研究他們在分子轉錄翻譯層面、細胞功能層面、個體生理層面的作用,而新納米技術的出現有望解決該問題。

目前,牛津納米孔團隊的技術已經能夠直接測得兩種常見的 RNA 修飾與標記。該公司的諮詢師 Birney 分析到,而或許機器學習演算法的加入,來破解標記的含義,找到更多的修飾,會讓這個技術得到更大的發揮。

杜克大學的一位病毒學家 Bryan Cullen 表示,對修飾的 RNA 進行測序一直是該領域的一個大難題。去年,他的團隊發現了一個叫 m6A 的標記,可能會在病毒感染小鼠時,導致病毒基因表達的改變,最終能夠使病毒繁殖。但是,發現這種標記的這背後,是大量時間和資源的消耗,這就是目前 RNA 修飾檢測的現狀。

納米技術測序的優點,除了能夠更方便的測得 RNA 修飾外,還能夠顯示出 RNA 病毒序列隱藏的多樣性。Stacy Horner 是杜克大學 RNA 生物中心的聯合主任,他說相比之下,現有的其他技術,由於破壞了原始結構,最終的結果是大量 RNA 短序列的粗糙拼接,所以序列的多樣性會在這個過程中丟失。

Birney 說,「雖然這項技術還未完善,生物學家依舊期待著,未來能夠直接測得整個病毒的基因,和正常生物體中的其他 RNA 分子。」越微小越重要,當我們所利用的材料尺度越微小,越可以在更接近分子的層面對其形態功能直接的觀察,方法更加簡單,精確度也大大提升。把納米材料應用於 RNA 的直接測序,無疑是技術上的一個重大突破。

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