HiDEFseq技术揭示了单链DNA突变的起源

突变是构成DNA密码的分子“字母”的变化，DNA密码是所有活细胞的蓝图。其中一些变化可能影响不大，但其他变化可能导致疾病，包括癌症。现在，一项新的研究引入了一种原创技术HiDEF-seq，该技术可以准确检测突变之前DNA密码中的早期分子变化。

该研究的作者说，他们的技术 - 发夹双链增强保真测序 - 可以促进我们对健康细胞和癌症突变的基本原因的理解，以及随着年龄的增长，遗传变化如何在人类细胞中自然积累。

这项工作由纽约大学朗格尼健康中心（NYU Langone Health）的一组研究人员领导，与北美和丹麦的合作者合作，有助于解决DNA突变发生方式的最早步骤。

这项新研究基于这样一种理解，即DNA由两条分子字母或碱基链组成。每条链由四种类型的字母组成：腺嘌呤 （A）、胸腺嘧啶 （T）、鸟嘌呤 （G） 和胞嘧啶 （C）。每条链的碱基以特定模式与另一条链中的碱基配对，As与Ts配对，Gs与Cs配对。这使得DNA代码可以被复制并准确地从一代细胞传递到下一代细胞。重要的是，突变是存在于两条DNA链中的DNA密码的变化。例如，G 和 C 的碱基对，其中一条链上的 G 与另一条链上的 C 配对，可以突变为 A 和 T 碱基对。

然而，研究人员表示，大多数突变起源于DNA变化，这些变化仅存在于两条DNA链中的一条中，而这些单链变化，例如不匹配的G和T碱基对，无法使用以前的测试技术准确识别。当DNA链在复制过程中没有正确复制时，例如当细胞分裂成两个细胞时，或者当两个DNA链中的一条被热量或体内的其他化学物质破坏时，就会发生这些变化。如果这些单链DNA变化没有被细胞修复，那么这些变化就有可能成为永久性的双链突变。

由于已知患有与癌症相关的遗传综合征的人比没有癌症易感性的人具有更高的细胞突变率，因此研究人员通过描述患有这些综合征的人健康细胞中的DNA变化开始了他们的实验。具体来说，研究人员研究了来自聚合酶校对相关息肉病（PPAP）患者的健康细胞，PPAP是一种与结直肠癌风险增加有关的遗传性疾病，以及先天性错配修复缺陷（CMMRD），这是另一种遗传性疾病，增加了儿童患多种癌症的可能性。

使用HiDEF-seq，研究人员发现他们的细胞中有更多的单链DNA变化，例如T与C配对，而不是原始的G与C配对，而不是没有这两种综合征的人的细胞。此外，这些单链变化的模式与在任一综合征患者的双链DNA突变中观察到的模式相似。

随后的实验是在人类精子中进行的，众所周知，人类精子是所有人类细胞类型中双链突变率最低的。研究人员发现，HiDEF-seq在精子中单个DNA片段中观察到的化学损伤模式，称为胞嘧啶脱氨，与在血液DNA中观察到的受热损伤的损伤非常吻合。研究人员说，这表明DNA的两种化学损伤模式，一种是自然的，另一种是由外力引起的，都是通过类似的过程发生的。

“我们的研究为在未来的实验中使用HiDEF-seq技术奠定了基础，以改变我们对DNA损伤和突变如何产生的理解，”Evrony博士说，他也是纽约大学格罗斯曼医学院儿科系和神经科学与生理学系的助理教授。随着细胞的分裂和繁殖，DNA中的单链变化不断发生，虽然修复机制层可以修复大多数变化，但有些变化会通过并成为突变。

“我们的长期目标是使用HiDEF-seq创建一个全面的单链DNA错配和损伤模式目录，这将有助于解释已知的双链突变模式，”Evrony博士说。“未来，我们希望将从HiDEF-seq获得的单链DNA损伤的分析与病变产生的双链突变相结合，以更好地了解和监测环境暴露对DNA的日常影响。

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字母可能被破坏或错配，因为遗传密码有两个副本，每个父母都继承了一个副本。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。埃夫罗尼博士说，遗传密码中的每个碱基位置都可能在个体一生中的某个时刻至少在一些细胞中受损或突变。

该研究的资金由美国国立卫生研究院UG3NS132024、R21HD105910、DP5OD028158、T32AG052909、F32AG076287和P30CA016087提供。桑塔格基金会、皮尤基金会和雅各布·戈德菲尔德基金会提供了额外的资金支持。

Evrony 博士和纽约大学正在申请 HiDEF-seq 方法的专利。

Evrony博士拥有DNA测序公司Illumina、Pacific Biosciences和Oxford Nanopore Technologies的股权，其中一些产品适用于本研究。所有这些安排都是根据纽约大学朗格尼健康中心的政策和做法进行管理的。

除了Evrony博士之外，参与这项研究的其他纽约大学Langone研究人员还有共同主要作者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麦哥本哈根 Cryos 国际精子和卵子库的 Emilie Lassen、Daniel Rosenkjaer 和 Anne-Bine Skytte;克利夫兰凯斯西储大学的 Shany Picciotto 和 Jonathan Shoag;Vanessa Bianchi、Lucie Stengs、Melissa Edwards、Nuno Miguel Nunes 和 Uri Tabori，在多伦多病童医院;匹兹堡大学的兰德尔·布兰德（Randall Brand）;Tomi Pastinen，密苏里州堪萨斯城儿童慈善中心;理查德·瓦格纳（Richard Wagner），加拿大舍布鲁克大学（Université de Sherbrooke）。