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Taq酶让DNA测序成为可能

作者:Magigen

加利福尼亚大学UCI分校的研究人员发现了DNA测序的关键酶-Taq酶-的新细节。这一发现是向个性化医疗时代的一次飞跃,将来医生将能够根据个体患者的基因组设计治疗方案。

酶通过催化化学转化而使生命成为可能,否则对一个有机体来说,这些化学转化只会花费太长时间。研究容易感兴趣的是DNA复制和修复的过程。

UCI领导的团队研究的分子是一种叫做Taq的酶,这个名字来源于它最初在热水中发现的微生物。

Taq酶复制DNA,应用范围广阔。聚合酶链反应PCR技术,有着广泛的用途,从法医应用,到检测COVID-19新冠病毒的PCR测试技术,都是利用Taq酶。

UCI领导的研究小组发现,Taq有助于制造新的DNA拷贝,其行为与科学家先前认为的完全不同。韦斯是UCI的化学教授,这项新研究的合著者,他解释说,这种酶的行为不像一台运转良好、高效的机器,不断地生产DNA拷贝,而是像一个不分青红皂白的购物者,在商店的过道上游弋,把他们看到的一切都扔进购物车。

韦斯说:“Taq酶没有仔细选择每一个片段添加到DNA链中,而是为每一个成功添加的片段捕获几十个不匹配的片段。就像购物者检查购物清单上的物品一样,这种酶根据它试图复制的DNA序列对每个部分进行测试。”

众所周知,酶拒绝任何进入其购物车的错误物品——毕竟,拒绝是成功复制DNA序列的关键。在这项新工作中,令人惊讶的是Taq酶拒绝正确碱基的频率。“这相当于一个购物者抓起半打相同的番茄罐头,把它们放进购物车,在只需要一罐的情况下测试所有的番茄。”

它传达的信息是:Taq的工作效率远远低于它所能达到的水平。

这项新研究的共同通讯作者、UCI物理与天文学系教授菲利普·柯林斯解释说,这一发现是朝着医疗革命迈进的一大步。这是因为如果科学家了解Taq的功能,那么他们就可以更好地理解一个人的基因组测序到底有多准确。

“每个人的基因组都略有不同,”柯林斯说,“在不同的地方有不同的突变。其中一些突变与疾病有关,而另一些则完全无关。要真正弄清楚这些差异是否重要,对于医疗保健方面来说,要实现正确开药,你需要准确地了解这些差异。"

科林斯说:“科学家们不知道这些酶是如何达到其准确性的。”他的实验室为研究TAQ酶的行为建造了纳米级设备。“当患者的DNA与公认的人类基因组不同时,你如何向患者保证你已经准确地对其进行了测序?患者真的有罕见的突变吗?还是这种酶只是犯了一个错误?”

韦斯说:“这项工作可以用来开发改进版的Taq,在复制DNA时用更少的时间。”

该研究工作的影响不仅限于医学;每个依赖准确 DNA 测序的科学领域都将受益于对 Taq 工作原理的更好理解。例如,在使用古代 DNA 解释进化历史时,科学家依赖于关于 DNA 如何随时间变化的假设,而这些假设依赖于准确的基因测序。


“我们已经进入了基因组数据的世纪,”柯林斯说。“在本世纪初,我们第一次解开了人类基因组的面纱,我们开始利用这些来自基因组学的新发现信息来了解生物体、物种和人类历史,但基因组信息只有在准确的情况下才有用。”

这项研究的合著者包括前 UCI 物理学和天文学研究生 Mackenzie Turvey 博士和前 UCI 分子生物学和生物化学研究生 Kristin Gabriel 博士。该研究由美国国立卫生研究院国家人类基因组研究所资助。


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