日前，英国惠康桑格研究所（Wellcome Sanger Institute）的一支科研团队在顶尖学术期刊《自然》发表论文，宣布在测序技术上取得了重要进步。科学家们开发了一种称为纳米速率测序（nanorate sequencing，简称NanoSeq）的新方法，能够以前所未有的准确性，首次实现对任意人体组织中发生的基因突变进行研究。

利用新技术的分析结果挑战了“细胞分裂是驱动突变发生的主要机制”的传统观点。研究机构的新闻指出，“新的测序方法代表着癌症、衰老等领域的研究获得巨大进步”。

NanoSeq的一大特点是可以在不分裂的细胞中检测新发生的突变。人体组织由分裂的细胞和不分裂的细胞组成。例如干细胞，不断分裂保持自我更新，提供不再分裂的细胞维持机体运转。但大多数细胞并不分裂或很少分裂，比如血液中新生成的大量粒细胞，或是大脑中几乎与我们相伴终生的神经元。

随着年龄增长，细胞内不断发生基因变化，据估计平均每年获得15~40个突变。大部分突变无害，但也有些突变可以使细胞从此走上癌变的道路。“体细胞突变驱动癌症的发展，并可能导致衰老和其他疾病。”研究人员在论文中指出，“尽管十分重要，但要检测到仅存于单个细胞或几个细胞中的突变十分困难。”

图片来源：123RF

此次研究中，科研团队花费数年时间改进了2012年问世的双重测序（duplex sequence）方法，包括使用更特异的酶更准确地切割DNA，并改进了对测序数据的生物信息学分析方法，最终将错误率降低到每10亿对碱基中错误少于5个。

负责开发这项方法的Robert Osborne博士指出，单细胞测序的准确度提高使科学家们首次实现了对任意人体组织的DNA变化进行研究。

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研究团队用NanoSeq检测了血液、大脑、肌肉、结肠等在内的多种组织样本，并比较了干细胞和非分裂细胞中的突变速率和突变模式。

分析结果得到了出人意料的发现：对大量血细胞的分析显示，分裂速度较慢的造血干细胞与分裂频率更高的多能祖细胞具有相似的突变数量；不进行细胞分裂的神经元、极少分裂的肌肉细胞均以恒定的速率累积突变，并且速率与有丝分裂活跃的组织相似。这些结果意味着，细胞分裂与体细胞突变的关系不同于过去的认识。

“通常认为，细胞分裂是发生体细胞突变的主要因素，分裂次数越多，产生的突变越多。但是我们的分析发现，比其他细胞分裂多很多倍的血细胞和其他细胞有相同的突变率和突变模式。这改变了我们对突变发生的认识，暗示在细胞分裂外，还有其他关键的生物学机制驱动突变发生。” 论文第一作者Federico Abascal博士说。

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除了更准确地检测单个DNA分子中的突变，NanoSeq方法另一个值得一提的优势是可以相对轻松地收集样品，利用刮擦皮肤、咽拭子等方式收集细胞进行检测，因此更容易实现更大规模的研究。

研究人员指出，新方法能够在各种细胞中观察突变，也将使大规模研究体细胞突变更容易、更简便、更经济，不必再被局限于少数患者的少数活组织检查，因此他们相信NanoSeq将为研究癌症和衰老开辟新的途径。

参考资料：

[1] Federico Abascal, Luke M. R. Harvey and Emily Mitchell et al. (2021). Somatic mutation landscapes at single-molecule resolution. Nature. DOI: 10.1038/s41586-021-03477-4.

[2] Major advance enables study of genetic mutations in any tissue. Retrieved May 10, 2021 from https://www.sanger.ac.uk/news_item/major-advance-enables-study-of-genetic-mutations-in-any-tissue