Nature：开发出能揭示人类机体遗传突变最早期迹象的新型HiDEF测序技术

突变是组成DNA代码的分子“字母”发生的变化，而DNA代码则是所有活细胞的蓝图，其中一些改变对机体几乎没有影响，但其它变化则会引起包括癌症在内的疾病发生。近日，一篇发表在国际杂志Nature上题为“DNA mismatch and damage patterns revealed by single-molecule sequencing”的研究报告中，来自纽约大学Grossman医学院等机构的科学家们通过研究引入乐意一种称之为HiDEF-seq（HiDEF测序）的原始技术，其或能准确检测突变发生之前DNA代码中发生的早期分子改变。

研究者表示，这种名为HiDEF测序（发夹双重增强保真测序技术，Hairpin Duplex Enhanced Fidelity Sequencing）的新技术能促进他们对健康细胞和癌细胞中突变发生基本原因的理解，以及随着人类年龄增长机体细胞中的遗传突变是如何自然积累的；相关研究结果有望帮助揭开DNA突变发生的最早期阶段。

本文研究基于一种认识，即DNA是由两条分子代码（碱基）组成的链，每条链都是由四种碱基组成，即腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C），每条链中的碱基都能以特定的模式与另一条链中的碱基配对，即A与T配对，C与G配对，这就使得DNA代码能被复制，并准确从一代细胞传递到下一代细胞。重要的是，突变是存在于DNA双链中的DNA代码发生的改变，比如，C与G形成的碱基对（一条链上的G与另一条链上的C配对，C-G）就可以突变形成A-T碱基对。

然而，大多数的突变往往起源于仅存在于两条DNA链中的一条链上的DNA变化，而这些单链变化（比如G与T碱基对的错配）无法利用此前的检测技术来准确识别。当一条DNA链在复制过程中没有被正确复制时就会发生这些变化，比如一个细胞分裂为两个细胞或当两条DNA链中的一条被高温或机体其它的化学物质破坏时；如果这些单链DNA的改变并没有被细胞所复制，那么这些改变就会有可能会成为永久性的双链突变。HiDEF-seq技术就能以极高的准确性检测双链突变，每分析100万亿个碱基对大约就会读取一个记录错误，此外，当DNA代码仅存在于两条DNA链中的一条上且转变成为永久性的双链突变之前时，HiDEF-seq就能检测DNA字母代码上的改变。

开发出能揭示人类机体遗传突变最早期迹象的新型HiDEF测序技术

图片来源：Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07532-8

Gilad Evrony博士说道，我们的新型HiDEF-seq测序技术能帮助我们在仅DNA单链发生改变时观察到DNA分子改变的最早期指纹蓝图；由于患有与癌症相关的遗传综合征的个体机体细胞的突变率要比没有癌症易感性的个体机体中的细胞的突变率高，因此研究人员将会通过描述患有这些综合征人群机体健康细胞的DNA改变来开始进行研究。具体而言，研究人员分析了来自聚合酶校对相关息肉病（PPAP, polymerase proofreading-associated polyposis）和先天性错配修复缺陷（CMMRD，congenital mismatch repair deficiency）患者机体的健康细胞，PPAP是一种与结直肠癌风险增加相关的人类遗传性疾病，而CMMRD则是一种会增加儿童患多种癌症可能性的遗传性疾病。

利用HiDEF-seq技术，研究人员发现，相比并未患上述两种综合征的个体机体的细胞而言，患者机体细胞中单链DNA发生改变的数量更多，比如T与C配对，而不是原来的G与C配对；此外，这些单链改变的模式与患两种综合征的患者机体单链DNA突变的模式相似。随后研究人员对人类精子进行实验，已知人类精子是任何人类细胞类型中发生双链突变率最低的。研究者表示，利用HiDEF-seq技术就能在精子的单链DNA中观察到称之为胞嘧啶脱氨基作用（cytosine deamination）的化学损伤模式，其与在血液中观察到的被高温故意损伤的DNA的情况非常吻合；这或许就表明，这两种DNA发生的化学损伤模式，一种是天然的，另一种是诱导的，其都是通过类似的过程发生的。

研究者Evrony说道，本文研究为在未来实验中使用HiDEF-seq技术奠定了一定基础，有望帮助理解DNA损伤和突变发生背后的分子机制，随着细胞分裂和繁殖，DNA中的单链改变会不断发生，尽管修复机制能修复绝大多数改变，但有些变化一些存在且会发生突变。研究人员的长期目标就是利用HiDEF-seq技术来创建单链DNA错配和损伤模式的全面综合目录，这或许有助于解释已知的单链突变模式。

未来，研究人员希望能将通过HiDEF-seq技术所获得的单链DNA损伤图谱与损伤所产生的双链突变进行结合，从而更好地理解并监测环境暴露对DNA所产生的日常影响效应。遗传学家估计，每个人类细胞中大约有120亿个碱基或单个DNA代码可能会被损伤或错配，因为遗传代码有两个拷贝，其分别来自父母机体细胞。这些拷贝中的每一个都包含一个跨越30亿个碱基对的双链DNA，在人的一生中，至少在一些细胞中，遗传代码的每个碱基位置都会在某个时候发生损伤或突变。

综上，本文研究结果表明，在线粒体基因组中，研究人员发现了在细胞复制过程中主要发生的一种诱变机制；由于双链DNA突变仅仅是突变过程的重点，研究人员在单分子分辨率下检测其实单链事件的方法或许能促使研究人员揭示突变如何在各种情况下发生，尤其是在癌症和衰老过程中。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Liu, M.H., Costa, B.M., Bianchini, E.C. et al. DNA mismatch and damage patterns revealed by single-molecule sequencing. Nature (2024). doi：10.1038/s41586-024-07532-8