HiDEFseq技術揭示了單鏈DNA突變的起源

突變是構成DNA密碼的分子“字母”的變化，DNA密碼是所有活細胞的藍圖。其中一些變化可能影響不大，但其他變化可能導致疾病，包括癌癥。現在，一項新的研究引入了一種原創技術HiDEF-seq，該技術可以準確檢測突變之前DNA密碼中的早期分子變化。

該研究的作者說，他們的技術 - 發夾雙鏈增強保真測序 - 可以促進我們對健康細胞和癌癥突變的基本原因的理解，以及隨著年齡的增長，遺傳變化如何在人類細胞中自然積累。

這項工作由紐約大學朗格尼健康中心（NYU Langone Health）的一組研究人員領導，與北美和丹麥的合作者合作，有助于解決DNA突變發生方式的最早步驟。

這項新研究基于這樣一種理解，即DNA由兩條分子字母或堿基鏈組成。每條鏈由四種類型的字母組成：腺嘌呤 （A）、胸腺嘧啶 （T）、鳥嘌呤 （G） 和胞嘧啶 （C）。每條鏈的堿基以特定模式與另一條鏈中的堿基配對，As與Ts配對，Gs與Cs配對。這使得DNA代碼可以被復制并準確地從一代細胞傳遞到下一代細胞。重要的是，突變是存在于兩條DNA鏈中的DNA密碼的變化。例如，G 和 C 的堿基對，其中一條鏈上的 G 與另一條鏈上的 C 配對，可以突變為 A 和 T 堿基對。

然而，研究人員表示，大多數突變起源于DNA變化，這些變化僅存在于兩條DNA鏈中的一條中，而這些單鏈變化，例如不匹配的G和T堿基對，無法使用以前的測試技術準確識別。當DNA鏈在復制過程中沒有正確復制時，例如當細胞分裂成兩個細胞時，或者當兩個DNA鏈中的一條被熱量或體內的其他化學物質破壞時，就會發生這些變化。如果這些單鏈DNA變化沒有被細胞修復，那么這些變化就有可能成為永久性的雙鏈突變。

由于已知患有與癌癥相關的遺傳綜合征的人比沒有癌癥易感性的人具有更高的細胞突變率，因此研究人員通過描述患有這些綜合征的人健康細胞中的DNA變化開始了他們的實驗。具體來說，研究人員研究了來自聚合酶校對相關息肉病（PPAP）患者的健康細胞，PPAP是一種與結直腸癌風險增加有關的遺傳性疾病，以及先天性錯配修復缺陷（CMMRD），這是另一種遺傳性疾病，增加了兒童患多種癌癥的可能性。

使用HiDEF-seq，研究人員發現他們的細胞中有更多的單鏈DNA變化，例如T與C配對，而不是原始的G與C配對，而不是沒有這兩種綜合征的人的細胞。此外，這些單鏈變化的模式與在任一綜合征患者的雙鏈DNA突變中觀察到的模式相似。

隨后的實驗是在人類精子中進行的，眾所周知，人類精子是所有人類細胞類型中雙鏈突變率最低的。研究人員發現，HiDEF-seq在精子中單個DNA片段中觀察到的化學損傷模式，稱為胞嘧啶脫氨，與在血液DNA中觀察到的受熱損傷的損傷非常吻合。研究人員說，這表明DNA的兩種化學損傷模式，一種是自然的，另一種是由外力引起的，都是通過類似的過程發生的。

“我們的研究為在未來的實驗中使用HiDEF-seq技術奠定了基礎，以改變我們對DNA損傷和突變如何產生的理解，”Evrony博士說，他也是紐約大學格羅斯曼醫學院兒科系和神經科學與生理學系的助理教授。隨著細胞的分裂和繁殖，DNA中的單鏈變化不斷發生，雖然修復機制層可以修復大多數變化，但有些變化會通過并成為突變。

“我們的長期目標是使用HiDEF-seq創建一個全面的單鏈DNA錯配和損傷模式目錄，這將有助于解釋已知的雙鏈突變模式，”Evrony博士說。“未來，我們希望將從HiDEF-seq獲得的單鏈DNA損傷的分析與病變產生的雙鏈突變相結合，以更好地了解和監測環境暴露對DNA的日常影響。

遺傳學家估計，每個人類細胞中大約有120億個堿基或單個DNA字母可能被破壞或錯配，因為遺傳密碼有兩個副本，每個父母都繼承了一個副本。這些拷貝中的每一個都包含一個跨越 30 億個堿基對的雙鏈 DNA。埃夫羅尼博士說，遺傳密碼中的每個堿基位置都可能在個體一生中的某個時刻至少在一些細胞中受損或突變。

該研究的資金由美國國立衛生研究院UG3NS132024、R21HD105910、DP5OD028158、T32AG052909、F32AG076287和P30CA016087提供。桑塔格基金會、皮尤基金會和雅各布·戈德菲爾德基金會提供了額外的資金支持。

Evrony 博士和紐約大學正在申請 HiDEF-seq 方法的專利。

Evrony博士擁有DNA測序公司Illumina、Pacific Biosciences和Oxford Nanopore Technologies的股權，其中一些產品適用于本研究。所有這些安排都是根據紐約大學朗格尼健康中心的政策和做法進行管理的。

除了Evrony博士之外，參與這項研究的其他紐約大學Langone研究人員還有共同主要作者Mei-Hong Liu和Benjamin Costa以及共同作者Emilia Bianchini，Una Choi，Rachel Bandler，Marta Gronska-Peski，Adam Schwing，Zachary Murphy，Caitlin Loh和Tina Truong。

其他研究合作者包括丹麥哥本哈根 Cryos 國際精子和卵子庫的 Emilie Lassen、Daniel Rosenkjaer 和 Anne-Bine Skytte;克利夫蘭凱斯西儲大學的 Shany Picciotto 和 Jonathan Shoag;Vanessa Bianchi、Lucie Stengs、Melissa Edwards、Nuno Miguel Nunes 和 Uri Tabori，在多倫多病童醫院;匹茲堡大學的蘭德爾·布蘭德（Randall Brand）;Tomi Pastinen，密蘇里州堪薩斯城兒童慈善中心;理查德·瓦格納（Richard Wagner），加拿大舍布魯克大學（Université de Sherbrooke）。