Only Perception: 突破性的 DNA 變異偵測技術

2013-07-31

突破性的 DNA 變異偵測技術

Breakthrough in detecting DNA mutations could help treat tuberculosis, cancer
http://www.washington.edu/news/2013/07/28/breakthrough-in-detecting-dna-mutations-could-help-treat-tuberculosis-cancer/

By Michelle Ma, July 28, 2013

DNA 序列中最微小的變化將產生深遠的影響。現代基因組學已證明，只要一個變異，就會出現「成功治療某種疾病」或著「看它蔓延擴散到全身」這樣截然不同的差異性。

現在，研究者開發出一種新方法，能鎖定特定 DNA 片段，並將單一突變精確定位，那能協助診斷與治療如癌症或結核病這樣的疾病。這些微小的變化能成為疾病的根源或某些傳染性疾病可抵抗某些抗生素的原因。這些發現發表在 7/28 的 Nature Chemistry 期刊線上版。

"我們真正改良先前的方法，因為我們的解決方案不需要任何複雜的反應或添加酵素，它僅使用 DNA，" 領導作者 Georg Seelig 表示，華盛頓大學電機工程以及電腦科學與工程助理教授。"這意味此法經得起溫度與其它環境變化的考驗，使其非常適合低資源設置中的診斷應用。"

DNA 是核酸的一種，這種生物分子賦予所有生物獨特的遺傳特徵。在 DNA 的雙股（稱為雙螺旋）中，一系列的鹼基對結合並將我們的遺傳資訊編碼。當基因組學研究持續進步後，人們明白，只要有一個鹼基對產生變化 -- 一段變異、一個插入或一個刪除 -- 就足以觸發嚴重的生物學後果。這能解釋疾病的啟始，或解釋為何某些疾病對於一般抗生素治療沒有反應。

以結核（這種疾病已知有抗藥性品種）為例。其對於抗生素的抵抗力常常是由於某一特定基因中為數不多的變異。如果某個染上結核病的患者對於治療沒有反應，很可能是那裡有了突變，Seelig 表示。

現在，研究者有能力預防性地檢查變異。

Seelig 與 Rice 大學的 David Zhang 以及 UW 電機工程博士生 Sherry Chen，設計出一種探針，那能在展開的目標 DNA（target stretch of DNA）中，找出單一鹼基對中的變異。這些探針允許研究者在長序列中 -- 多達 200 個鹼基對 -- 觀察更多的變異細節，而目前的方法在展開的 DNA 中能偵測到的變異至多只有 20 個。

"就專一性（specificity）而論，我們的研究指出，我們能辦到「二次方的好（quadratically better）」，意思是不管專一性的最佳程度為何，我們最佳成果將會是那個數字的平方，" Zhang 表示，Rice 大學生物工程教授。

測試探針被設計成與某一段被懷疑可能出現某種變異的 DNA 序列結合。研究者創造出一段附加的（complimentary） DNA 序列到有問題的雙螺旋股。接著，他們讓包含二種序列的分子在試管的鹽水中混合，在此，若這些鹼基對鈍化（intact）它們將自然地與另一個匹配。不同於先前的技術，探針分子將會檢查目標雙螺旋的每一股是否有變異，那解釋其所增加的專一性。

此探針經過設計，只有當它與目標完美相配時才會發出螢光。若無則不會發光，這意味這些 DNA 股不相配，且有一個以上的突變出現在那股目標 DNA 。

研究者已就此技術申請專利，並與 UW Center for Commercialization 進行合作。他們希望將之整合到基於（試）紙的疾病診斷測試，那能用在世上醫療資源不足的地方。

這項研究由 NIH、NSF 與 DARPA 所資助。

※ 相關報導：

＊ Conditionally fluorescent molecular probes for detecting single base changes in double-stranded DNA
http://dx.doi.org/10.1038/nchem.1713

Sherry Xi Chen, David Yu Zhang, Georg Seelig.
Nature Chemistry (2013)
doi: 10.1038/nchem.1713

....Here, we demonstrate that conditionally fluorescent DNA probes are capable of distinguishing variations of a single base in a stretch of target DNA. These probes use a novel programmable mechanism in which each single nucleotide polymorphism generates two thermodynamically destabilizing mismatch bubbles rather than the single mismatch formed during typical hybridization-based assays.