一項(xiàng)新技術(shù)可以讀取出構(gòu)成DNA密碼的“堿基”順序（序列），其以足夠的精度揭示出了細(xì)菌利用高速進(jìn)化來擊敗抗生素的機(jī)制。由紐約大學(xué)Langone醫(yī)學(xué)中心領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)研究的結(jié)果發(fā)布在6月22日的《自然》（Nature）雜志上。

這一稱作為最大深度測序（Maximum Depth Sequencing,MDS）的技術(shù)，消除了當(dāng)前高速DNA測序機(jī)器背后的一些核心方法引入的錯誤，捕獲了極其罕見以致舊方法無法將它們與機(jī)器錯誤區(qū)分開來的一些遺傳改變。

資深作者、紐約大學(xué)Langone醫(yī)學(xué)中心生物化學(xué)與分子藥理學(xué)系教授、霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員Evgeny Nudler博士說：“第一次我們能夠直接檢測一個細(xì)菌遺傳密碼DNA序列的標(biāo)準(zhǔn)變化率，及細(xì)菌以比平均快數(shù)倍的速度開啟遺傳改變使得抗生素被廢棄的‘熱區(qū)’。”

“除了抗生素耐藥，這一技術(shù)也許很快能夠讓我們找到所有細(xì)胞群體，包括早在種植腫瘤之前，血流中準(zhǔn)備癌變的細(xì)胞中極其罕見的遺傳改變，”Nudler說。

特別深度的測序

先進(jìn)的、高通路測序機(jī)器可在大約10小時內(nèi)確定構(gòu)成個體整個遺傳密碼（基因組）的30億個堿基的順序，細(xì)菌的基因組越小所需的時間越少。有了這種能力，人們對堿基順序隨機(jī)發(fā)生改變與疾病的關(guān)聯(lián)獲得了新的認(rèn)識。

為了確定DNA樣本中的堿基順序，這樣的技術(shù)會將DNA鏈打碎成片段，利用DNA聚合酶來復(fù)制附著條形碼的每個片段序列，條形碼標(biāo)記可以獨(dú)特地識別出每個原始的DNA片段。隨后，機(jī)器會生成每個拷貝的大量副本，使其數(shù)量達(dá)到一些利用發(fā)光探針的技術(shù)能夠捕捉到它們按順序鑒別出每個堿基。

采用這些標(biāo)準(zhǔn)方法有一個問題就是，在最初的聚合酶復(fù)制步驟中生成的錯誤會出現(xiàn)在所有的拷貝中。這使得沒有辦法區(qū)分出這些錯誤及與疾病風(fēng)險日益緊密聯(lián)系在一起的，DNA序列中罕見的、自然發(fā)生的改變（突變）。

新論文中描述的第一個創(chuàng)新是，利用了聚合酶來建立遠(yuǎn)離原始DNA片段末端的條形碼，而非生成易于出錯的測序片段拷貝并隨后擴(kuò)增錯誤。然后這種方法生成了多個獨(dú)立拷貝的帶條形碼的原始DNA片段。通過這種方式，由聚合酶或指定機(jī)器中測序過程引入的錯誤，只會出現(xiàn)在少數(shù)生成的序列版本中，但不會都在同樣的位置，這使得能夠排除掉它們。

新方法并非測序整個基因組，而是集中于較短的DNA區(qū)域。通過將機(jī)器的能力集中于“感興趣的DNA區(qū)域”，研究人員能夠在單次運(yùn)行中多次測序每個原始片段。

研究結(jié)果圍繞著環(huán)境對DNA鏈造成的不斷的損傷與快速DNA修復(fù)機(jī)制之間的競爭。專家預(yù)測，在細(xì)菌細(xì)胞中每小時DNA被損傷數(shù)千次，但一些修復(fù)機(jī)制意味著它們的DNA密碼隨時間推移緩慢的改變。

利用這一新技術(shù)，作者們第一次能夠以足夠的統(tǒng)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)性觀察突變，準(zhǔn)確地計(jì)算出了大腸桿菌中標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)的突變率。了解基礎(chǔ)突變率還向研究人員揭示出了當(dāng)暴露于抗生素時，在大腸桿菌基因組的某些區(qū)域突變發(fā)生頻率比平均要高10倍。

具體說來，研究小組發(fā)現(xiàn)采用不足以全部殺死細(xì)菌的劑量，氨芐西林和諾氟沙星通過在細(xì)菌細(xì)胞中造成氧化應(yīng)激和DNA損傷，關(guān)閉了錯配DNA修復(fù)——當(dāng)復(fù)制DNA時生成修復(fù)錯誤的一個系統(tǒng)。壓力上升使得細(xì)菌帶著圍繞治療進(jìn)化的目的，更快速地改變它們的DNA密碼。

Nudler說：“我們永遠(yuǎn)不會看到這些過程，但現(xiàn)在有希望利用它們來消除細(xì)菌利用來獲得耐藥性的一種基本的機(jī)制。”

除了能夠找到細(xì)菌DNA中的罕見突變，MDS有望用于檢測人類細(xì)胞群中的罕見突變?？梢韵胂蟮讲捎醚簷z測它能夠識別出在腫瘤形成很早以前細(xì)胞中的罕見“癌前”遺傳突變。相關(guān)的研究已在進(jìn)行之中。

Evgeny Nudler的主要研究方向包括轉(zhuǎn)錄、壓力反應(yīng)和一氧化氮。2013年，Nudler領(lǐng)導(dǎo)紐約大學(xué)的研究人員證實(shí)一氧化氮除了有助于增加血流、傳遞神經(jīng)信號和調(diào)節(jié)免疫功能，還能過延長壽命，增強(qiáng)生物抵抗環(huán)境壓力的能力。這一成果發(fā)布在Cell雜志上（Cell：小分子的大功績 ）。

紫外線和其他環(huán)境因素不多對我們的DNA造成破壞，可以說我們的健康在很大程度上依賴于細(xì)胞發(fā)現(xiàn)和修復(fù)DNA損傷的能力。2014年，Nudler教授的一項(xiàng)研究展示，RNA聚合酶負(fù)責(zé)在基因組中搜尋DNA損傷，并招募盟友對其進(jìn)行修復(fù)。這一機(jī)制能夠有效減少突變，幫助人體控制癌癥和其他疾病。這項(xiàng)研究發(fā)表在Nature雜志上。

2014年9月16日在《eLife》發(fā)表的一項(xiàng)研究中，Nudler與科學(xué)家們首次報(bào)道稱，一種稱為翻譯延伸因子eEF1A1的蛋白質(zhì)，可“精心策劃”熱休克反應(yīng)的整個過程。通過這樣做，eEF1A1可支持細(xì)胞內(nèi)的整體蛋白質(zhì)動態(tài)平衡，從而確保它在各種內(nèi)部和外部壓力條件下正常發(fā)揮作用。研究人員認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)可能揭示了神經(jīng)退行性疾病和癌癥的一個很有前途的新藥物靶點(diǎn)。eEF1A1在蛋白質(zhì)合成中發(fā)揮明確的作用，這項(xiàng)研究又向我們展示了它的一個新角色。