全球首個！用酶法檢測技術“解密”DNA序列檢測盲區

日前，中國科學院院士、同濟大學陳義漢教授等學者在國際權威刊物《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）上發表了題為“基于UdgX的在單堿基分辨率水準上的DNA脫氧尿嘧啶的檢測技術”的研究論文。借助“UdgX”這種特殊的酶分子，這項研究發明了靈敏性好、特異性強和分辨率高的DNA脫氧尿嘧啶（dU）檢測技術，第一次用酶法在單堿基分辨率水準上精準檢測DNA中的dU，實作了DNA中dU堿基檢測技術的根本性突破。

衆所周知，DNA是生物體的遺傳密碼。通常認為它們包括腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鳥嘌呤（G）和胞嘧啶（C）四個堿基。後來的研究發現，DNA中還存在另外的堿基dU。這些堿基共同組成了DNA的基本元素。但是，迄今為止，人類還難以從單個堿基分辨率水準上檢測到dU。這構成了DNA序列檢測的盲區和瓶頸之一，嚴重阻礙了對dU的功能的認知和對DNA遺傳密碼的了解。

從原核生物到真核生物，從單細胞生物到人類，除外A、T、G和C，它們的DNA中還包含着比例不等的dU。在艾滋病毒的DNA中，每二十個堿基就有一個以上的dU；而在瘧原蟲的DNA中，dU占堿基的比例大約為十萬分之一。dU既能通過C堿基脫氨産生，又能“冒充”T堿基摻入到基因組中。由于缺乏敏感又特異的單堿基分辨率的dU測序技術，迄今為止人類并沒有像其它堿基（A、T、G和C）那樣實作dU在DNA中的精準定位。也就是說，現在的dU檢測技術可以證明若幹堿基中存在dU堿基，但是并不能确定dU堿基位于什麼樣的具體的堿基之間。

同時，dU具有雙面性，它有時充當人類健康的朋友，有時又可能是人類健康的敵人。許多研究發現，當機體面對不同抗原時，免疫細胞需要dU作為中間體，産生多種多樣的抗體，幫助抵禦諸如新冠病毒之類的病原體對人類的侵害。而當惡性良性腫瘤或者心血管疾病患者體内出現dU時，則可能導緻患者基因組的不穩定，加速這些患者病情的發展。顯然，精準檢測dU在DNA中的分布情況，将有助于評估人類個體的生理學機能和疾病的預後。

然而，尋找DNA中dU的精确位置如同大海撈針，屬于科學難題。大陸學者經過多年的探索，最終發明了優越的單堿基分辨率的dU測序技術。形象地說，這項測序技術首先需要研究人員找到一個合适“鈎子”——一種名為UdgX的新型糖苷酶。UdgX能夠将DNA的dU切除，形成一個缺口，并同時與對應的核糖形成共價鍵，最終将其捕獲。作為“鈎子”的UdgX“釣”到含dU的DNA片段後，還需要進一步确定dU位置。接下去，研究人員發揮DNA高保真聚合酶特性。這個酶就如同行駛在DNA軌道上的列車，當碰到被UdgX标記的dU的缺口時，會被動地原地“停車”。然後，研究人員結合高通量測序技術，将“停車”信号放大，最終在單個堿基的水準上精确地定位dU在DNA乃至基因組上的位置。

“一句話而言，這是依靠UdgX并結合DNA高保真聚合酶的dU測序技術。”中國科學院院士、同濟大學陳義漢教授解釋說，從此，一個基于UdgX的在單堿基分辨率水準上的dU檢測技術（Ucaps-seq）誕生了；基于該技術，今後可以像檢測DNA中的A、T、G和C那樣精确地檢測DNA中的dU。

Ucaps-seq測序技術是國際上第一個酶法檢測DNA中的dU堿基的技術，現存的dU測序技術均為化學法。酶法測序技術優于化學法測序技術，不僅靈敏性好、特異性強和分辨率高，而且效率高、成本低，很少發生假陽性，也很少受到幹擾因素的影響。研究人員利用該技術還做了進一步的驗證和探索工作。他們首先在合成的DNA探針模型上驗證了Ucaps-seq測序技術的原理，然後在誘變後的癌症細胞和B細胞中驗證了Ucaps-seq測序技術的單堿基分辨率效能，最後還應用該技術對基因編輯脫靶進行了評估，發現Ucaps-seq測序技術對基因編輯脫靶具有強大的識别能力。