精準“釣捕”助力評估人類健康

迄今為止，人類還無法從單個堿基分辨率水準上檢測到脫氧尿嘧啶（dU）。這成為DNA序列檢測的盲區和瓶頸之一，嚴重阻礙了對dU功能的認知和對DNA遺傳密碼的了解。

1月17日，中科院院士、同濟大學教授陳義漢課題組和同濟大學研究員馬紅輝課題組、複旦大學研究員胡晉川課題組共同在《美國化學會志》發表文章。研究人員借助一種特殊的酶分子，發明了靈敏性好、特異性強和分辨率高的DNA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。

突破測序瓶頸

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）等4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。

“從原核生物到真核生物，從單細胞生物到人類，除A、T、G和C外，它們的DNA中還包含着比例不等的dU。但是迄今為止，人類還難以從單堿基分辨率水準上檢測到dU，這阻礙了對dU功能的認知和對DNA遺傳密碼的了解。”陳義漢告訴《中國科學報》。

在艾滋病病毒的DNA中，每20個堿基就有一個以上的dU；在瘧原蟲的DNA中，dU占堿基的比例約為十萬分之一。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dU測序技術，人們不能像其他堿基（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，但不能确定dU堿基位于哪些具體的堿基之間。”論文第一作者、同濟大學博士研究所學生江柳丹對《中國科學報》說，“dU堿基的生物學意義是什麼？dU堿基在疾病發生發展中的意義又是什麼？要回答這些問題，必須取得單堿基分辨率水準上dU堿基檢測和定位的突破。不能在單堿基分辨率水準上精準定位堿基，就無法從DNA序列層面推斷堿基編碼的氨基酸和蛋白質序列。”

精準“釣捕” 化敵為友

dU具有“雙面性”——有時是人類健康的朋友，有時又可能化身為人類健康的敵人。

“很多報道發現，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。”論文共同通訊作者馬紅輝說，“而當惡性良性腫瘤或心血管疾病患者體内出現dU時，則可能導緻患者的基因組不穩定，加速病情發展。”

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。

研究人員經過多年探索，最終發明了優越的單堿基分辨率的dU測序技術。

馬紅輝介紹說，該測序技術首先要找到一個合适的“鈎子”—— 一類恥垢分枝杆菌來源、名為UdgX的新型糖苷酶。該糖苷酶能夠将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”的糖苷酶“釣”到含dU的DNA片段後，還需要進一步确定dU位置。接下去，要發揮DNA高保真聚合酶特性。這個酶如同行駛在DNA軌道上的列車，當碰到被這種糖苷酶标記的dU缺口時，就會被動地原地“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。

酶法檢測優勢明顯

為便于該測序技術的傳播和普及，研究人員将其命名為Ucaps-seq。從此，一個基于新型糖苷酶的在單堿基分辨率水準上的dU檢測技術誕生了。

基于該技術，人們可以像檢測DNA中的A、T、G和C那樣，精确檢測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。”陳義漢說，“現存的dU測序技術均為化學法，酶法測序技術明顯優于化學法測序技術。”

酶法測序技術靈敏性好、特異性強、分辨率高。此外，該技術還具有實際應用中效率高、成本低，很少發生假陽性，也很少受到幹擾因素影響的特點。例如，既有的dU化學測序技術需要先利用一種酶切除dU，使之成為無嘧啶的位點，而這樣的處理較難與DNA自身存在的無嘧啶位點區分，不可避免地導緻假陽性發生。

為進一步驗證Ucaps-seq測序技術的有效性，研究人員首先在合成的DNA探針模型上驗證了該測序技術的原理，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，最後對基因編輯脫靶進行了評估，發現該測序技術對基因編輯脫靶具有強大的識别能力。

“Ucaps-seq技術的誕生，特别是其檢測試劑盒的應用，将像其他堿基檢測一樣便捷高效。”陳義漢說，“這将大大推進核酸序列檢測、遺傳密碼破譯和人類對核酸的認知。”（記者 張雙虎 黃辛）

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https://doi.org/10.1021/jacs.1c11269

來源： 中國科學報