谢晓亮:从单细胞研究到高通量测序

2011-7-04 12:27 来源: 科学网
收藏到BLOG

  2011年7月第八期《自然—方法学》刊登了Monya Baker撰写的一篇人物特写,详细介绍了在当期发表的论文 “Fluorogenic DNA sequencing in PDMS microreactors”的主要作者哈佛大学谢晓亮教授的高通量测序技术。全文翻译如下:

  在科学界,合情合理的实验也可能会出现令人吃惊的结果。当谈到他的实验室时,谢晓亮把他的主要研究分成三个领域:活体细胞中的动态基因表达研究,单分子酶学和免标记显微成像技术,而现在,又多了一个由于意外而诞生的新领域——高通量测序。

  目前常见的测序技术“焦磷酸测序”是通过边合成DNA边测序实现的,当加入新三磷酸核苷酸时,荧光素酶水解三磷酸键所产生的能量会以光的形式发出,然而光信号转瞬即逝,需要检测系统能够灵敏地捕捉到这一瞬间的光信号。 另一种常见的技术是基于荧光的测序,相比之下,它可以产生一个稳定的光信号,但需要很多额外的化学修饰步骤才能产生荧光。在这篇Nature Method 的文章中(指Sims, P.A., Greenleaf, W.J., Duan, H. & Xie, X.S.. Nat. Methods 8, 575–580 (2011).),谢晓亮和他的同事们推出了一种新型的测序技术,这种技术兼顾焦磷酸测序的简单流程和荧光检测的稳定信号,这使得高精确度并循环周期短的测序成为可能。

  单分子荧光酶学的开端要追溯到十多年前,当时谢晓亮作为美国太平洋西北国家实验室的一位研究员,正在研究表征单个酶分子活性的方法,为此,他和同事曾应用过一个含有可发荧光的吖啶黄素基团的酶。那时,诸如 Helicos和Pacific Bioscience等公司也刚刚宣布了他们的DNA单分子测序计划。谢晓亮对把单分子酶学应用于DNA测序领域很感兴趣,但由于他已经在哈佛就职,这个想法仅仅被搁置于专利层面。“我需要学着做个教授”,谢晓亮说。

  谢晓亮偶尔会尝试把基于荧光基团测序的想法推荐给一些研究生或博士后,但是年轻的科学家们通常不大敢尝试这一想法。“提些建议对我来说是很容易的,因为我有很多项目,总有一些会成功的”,谢晓亮解释道,“但是对学生来说这是个很大的赌注,并不是所有人都敢于接受这种挑战。”一位四年级的研究生Peter Sims听说了这个想法,当即接受了这个挑战,尽管当时他完全可以由单分子马达在活细胞的研究来获得学位。 Sims表示这种潜在的高通量测序激发了他的浓厚兴趣,但是对于所需的在核酸上修饰荧光基团的化学工作,他还没有经验。“他当时刚刚涉足于此,才开始学习”,谢晓亮说。谢晓亮和Sims共同商定了一个期限,如果Sims在此之前还没有获得显著的成绩,他就退回到原来的课题上,开始写毕业论文。

  捕捉荧光信号就像成功产生荧光一样重要。在博士后William Greenleaf帮助下,他们解决了这个难题。“微反应容器和荧光化学二者的结合,便是这项测序新技术的精髓。”谢晓亮说。Greenleaf设法加工出了这些含有微反应容器的芯片,它是由可以重复密封的聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物制成。谢晓亮说,没有这种材料,他的实验室的研究人员不可能做出这种尝试。“我想把推广PDMS的功劳归于George Whitesides(George也在哈佛大学工作)”,他说,“基于PDMS我们才能够制作出各式各样的芯片上的实验室,而且他们真的很好用。”

  但是研究进展并非一帆风顺。在后来的实验中,含有荧光基团的分子总是会扩散到PDMS 中或是产生一些不可信的伪信号。实验室的另一位成员段海峰加入了他们的小组,负责合成新型的荧光分子。此时,Sims和谢晓亮定下的期限也快到了,但他们仍没有做出很好的结果。

  Sims和Greenleaf制定了另外一项计划,但是仅仅是对多拷贝的DNA测序而并非单分子测序。当时谢晓亮正在苏格兰出差,一天深夜他和Sims进行了一次电话长谈,讨论Sims是否应该退回到原来的项目来写毕业论文。谢晓亮回忆道:“那真费了我好大一笔电话费。我说,‘Peter,请你再想想,我们再尽快地尝试一下,如果你真的做到了,学术界将对你的毕业论文产生极大的兴趣。’”几周后,他们果真拿到了数据,并且Sims在他的答辩中成功地阐述了这种测序方法。谢晓亮富有哲理地说:“你开始一直在对着一堵墙作战,后来你稍微改变了方向,这就大不一样了”。Sims也有另外的动机,他曾和谢晓亮开玩笑说,“我做这个只是想毕业。”

  虽然这项测序技术本身还是基于DNA扩增的,但谢晓亮希望它能为通用单细胞基因组测序提供一条道路。谢晓亮说:“尽管我们的技术并不是我最初希望的DNA 单分子检测,但它依然为单细胞中DNA单分子测序提供了可能。”