二氟脱氧胞嘧啶核苷

DNA中的5-甲基胞嘧啶（5mC）是生物学领域基本的表观遗传标记，对调节基因表达至关重要。5mC不仅是多个生物学领域的研究重点，而且在临床上，5mC的异常甲基化模式与包括癌症在内的多种疾病的发生发展密切相关，为疾病的早期诊断和监测提供了有效的生物标志物。对5mC位点的精准检测对基础研究和疾病检测的准确性至关重要。尽管亚硫酸氢盐测序（BS-seq）技术在基础研究和临床上应用广泛，但目前用于5mC检测的常规BS-seq方法有明显缺陷：1）反应时间长，限制了其在临床上的快速检测。2）在高GC DNA区域或高度结构化的DNA（例如线粒体DNA），C到U的转化不完全，导致高背景和假阳性。3）DNA降解严重，对微量的样品如cell-free DNA（cfDNA）的检测带来挑战。4）常规BS处理造成非甲基化的区域优先降解，使得甲基化水平被高估。在临床上能用小量样品进行快速而准确地检测5mC一直是DNA表观遗传领域的一项挑战。而用于RNA m5C 检测的BS-seq同样困难重重。RNA的降解问题尤其严重。RNA的二级结构或稳定的RNA（比如tRNA）导致严重的高背景和假阳性。目前还缺乏准确有效的检测m5C的方法。2024年1月2日，芝加哥大学何川团队在 Nature Biotechnology 期刊发表了题为：Ultrafast bisulfite sequencing detection of 5-methylcytosine in DNA and RNA 的研究论文。该研究开发出了对微量DNA和RNA上的5-甲基胞嘧啶修饰进行快速，准确检测的测序方法——Ultrafast Bisulfite Sequencing（简称为UBS-seq）。何川课题组的戴庆博士根据BS-seq的机理以及由于BS反应而造成的DNA降解机制，发现用亚硫酸氢铵盐代替钠盐可以大大提高BS的效率，C能够在几分钟内完全转化为U而5mC保持不变（图1a），并且由于反应的时间大为缩短，DNA的降解也显著降低（图1b）。UBS-seq测序背景噪音比常规BS-seq降低10倍以上，并且UBS-seq整体转化效率更加一致（图1d）。图1：UBS-seq在DNA样品上的的转化效率UBS-seq不仅可以用于微量mESC基因组的测序，还可用于极少量细胞样品，甚至单细胞，在背景噪音和假阳性等方面要比常规BS-seq低得多。研究团队进一步应用UBS-seq来比对早期结直肠癌病人组和对照组的血液中提取的cfDNA 样品，发现明显的甲基化区别。这些结果显示UBS-seq在寻找5mC作为疾病的早期诊断的指标方面具有广泛的应用前景。另外，由于具有快速且能减少DNA的降解而特别适用于小量样品的特点，UBS-seq在从少量样品中检测已知的5mC疾病指标，以及在临床快速诊断和手术中的实时决策方面，具有独特的优势和应用前景。除了快速准确检测DNA中的5mC外，UBS-seq也可以用于快速准确检测RNA中的m5C。m5C广泛存在于多种类型的RNA中，影响细胞功能，并在多种癌症中发挥重要作用。然而，由于缺乏灵敏、准确的定量测序方法，m5C在不同RNA类型上的位置及化学计量一直有争论。与DNA中的5mC相比，mRNA中m5C的修饰位点以及修饰水平要低得多，因此如何避免常规 BS-seq中所产生的假阳性，降低RNA降解从而精准地检测到m5C位点并定量其修饰比例，一直是 RNA BS-seq 的主要挑战。研究人员进一步优化了UBS-seq 的配方，发现在98度下加热9分钟后，rRNA上所有的C位点的未转化率（背景噪音）仅有1%，而两个已知的m5C位点的未转化率（阳性信号）高达95%（图2a）。UBS-seq在rRNA样品上的准确性大大优于几种已发表的m5C BS-seq 方法（图2b）。随后研究团队将UBS-seq应用于具有复杂二级结构的tRNA，检测并且观察到NSUN2修饰位点的修饰比例能响应NSUN2基因的敲除（图2c），进一步验证了BS-seq的有效性和准确性。研究人员用UBS-seq对HeLa和HEK293T的mRNA进行了测序，发现了近两千多具有保守序列模式的位点（图2d）。随着NSUN2基因敲除，绝大多数m5C位点的修饰比例下降（图2e）。当把NSUN2的基因再转入敲除的细胞后，m5C位点的修饰比例又回升了（图2f）。这些结果证明了m5C UBS-seq 方法不仅非常灵敏高效，而且非常准确。为研究m5C的生物功能提供了有力的工具。图2：UBS-seq在RNA样品上的的转化效率，以及不同类型RNA上m5C位点的检测何川教授的团队近年来相继开发出了SAC-seq用于定量检测m6A，BID-seq用于定量检测等测序新方法，极大的促进了表观转录学领域的发展。随着UBS-seq的发表，将会进一步促进m5C的生物功能的研究，并和SAC-seq，BID-seq一起引领RNA表观转录组领域步入新的阶段。

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生物科技公司Moderna Therapeutics 雄心勃勃，且资金充沛。图片来源：Paddy Mills 　　在两年半前的一次早餐会上，英国制药巨头阿斯利康有限公司新任首席执行官Pascal Soriot和一家药物研发公司合作达成他上任后的第一单生意。Soriot的合作对象是美国马萨诸塞州坎布里奇市一家名不见经传的生物技术公司&mdash &mdash Moderna Therapeutics。这单生意的价值达到4.2亿美元，如此高额的投资对于一种刚开始起步的制药技术来说可谓不同寻常，况且这项技术还未经过临床人体测试。 　　对于Moderna来说，这笔投资仅是大量巨额投资中的一项。仅在今年1月，该公司就宣布从若干投资者处获得5亿美元，如此一来，该公司投资额已超过10亿美元，使其成为迄今为止药物研发领域接受风险投资额最高的私人公司。 　　&ldquo 这件事可谓口口相传。&rdquo 坎布里奇市一家生物技术孵化器LabCentral公司经营者Johannes Fruehauf说，&ldquo 有这样巨大、惊人的投资额度，人们很难不这么做。&rdquo 　　投资人对Moderna公司技术的青睐十分明显，然而，尽管该公司商业投资遥遥领先，却仍面临许多棘手难题，如技术专利问题及其他基于信使核糖核酸的药物曾面临的问题等。究竟该公司能否实现其预期产值，对此分析人士也难作定论。 　　诞生缘由 　　从研究论文看，信使核糖核酸疗法似乎很容易。如果一些人不能产生某种足够的蛋白或是制造出一种有损伤的蛋白，医生就可以给患者的细胞中注射具有替代性蛋白编码的信使核糖核酸。和其他基因疗法类似，这样做可以避免基因发生永久性混乱。 　　然而，如果说生长因子、抗体以及其他复杂的&ldquo 生物&rdquo 药物可以通过生物工程细胞安全制造，这种药物却仅局限于分泌分子。另外，基于信使核糖核酸的疗法还可以制作出作用于细胞内部的蛋白。&ldquo 信使核糖核酸的释放可以重新改造人体作为一个加工厂处理许多疾病的方式。&rdquo 马萨诸塞州波士顿RA资本管理公司合作人Peter Kolchinsky说，该公司也是Moderna的投资方之一。 　　但是信使核糖核酸的释放却有些棘手。上世纪90年代初期，科学家首次证实，注射信使核糖核酸之后，可以在小鼠和大鼠体内产生相应的蛋白。但是蛋白的产量却很低，而且转瞬即逝 另外信使核糖核酸似乎也过于不稳定，不适宜制药。数年后，研究人员还认识到，实验室合成的信使核糖核酸在注射后，容易激发生物体免疫攻击，产生潜在的危险性炎症应答。 　　Moderna的相关技术可以追溯至波士顿儿童医院干细胞生物学家Derrick Rossi的实验室研究。Rossi与博士后Luigi Warren曾尝试利用信使核糖核酸让细胞&ldquo 多能化&rdquo ，从而产生许多细胞种类。为了避免引起炎症，研究人员用假尿嘧啶核苷和5-甲基胞苷替换了核糖核酸分子的一些构建模块&mdash &mdash 即核苷的尿苷和胞嘧啶核苷。这让核糖核酸变得更像一种可以自我复制的细胞，因为诸如细菌等入侵者通常不能在其自身的信使核糖核酸上产生类似的基因编辑。 　　这种办法生效了。2010年，Rossi和Warren对其生成干细胞的方法进行了注册，相关成果随后也发表于学术期刊。这项工作引起了麻省理工学院一位卓有声望的生物工程师和企业家Robert Langer以及坎布里奇市科技投资公司旗舰风险公司执行官Noubar Afeyan的注意。随后，Rossi和Langer又拉来了另外一位合作者&mdash &mdash 原哈佛大学医学院心血管生物学家、现在瑞典斯德哥尔摩卡罗林斯卡学院工作的Kenneth Chien。 　　2010年9月，他们携手创建了Moderna。公司的名字源自Rossi的想法&mdash &mdash 一个由&ldquo 修饰&rdquo (modified)与&ldquo 核糖核酸&rdquo (RNA)构成的混合词。 　　专利拦路 　　然而，Moderna头上却仍然悬着一把&ldquo 达摩克利斯之剑&rdquo ：专利权的纷争。 　　费城宾夕法尼亚大学遗传生物学家Katalin Karikó 和Drew Weissman发表的文章和Moderna的技术专利有很大重合性，Karikó 两人也曾利用假尿嘧啶核苷和5-甲基胞苷让试管和小鼠体内的信使核糖核酸在细胞防御系统面前几乎&ldquo 隐形&rdquo 。 　　Karikó 两人在2005年就申请了用于医疗目的的相关专利，而且还创建了一个叫作RNARx的公司，该公司曾收到美国政府小企业资助经费近90万美元。然而，部分出于研究人员和宾夕法尼亚大学在知识产权方面的争议，该公司的研究被终止，学校最终把知识产权出售给了威斯康星州一家名为Cellscript的企业。 　　Karikó 和Weissman的专利对Moderna构成了威胁。2010年，来自旗舰风险投资公司&mdash &mdash 当时参与孵化Moderna的公司之一 &mdash &mdash 的一项内部评估称，如果科学家不能研制出假尿嘧啶核苷和5-甲基胞苷的替代物，&ldquo 我们公司的技术可能会受到宾夕法尼亚州立大学的限制&rdquo 。 　　因此，Moderna需要找到一个回避该专利的方法，任务降临在该公司首个雇员Jason Schrum的头上。作为一名核酸生物化学家，Schrum开始检测同种类的修饰核苷。大多数修饰核苷都不适用，但最终Schrum仍然找到了一种假尿嘧啶核苷的变体：1-甲基假尿嘧啶核苷。去年美国专利商标局向Moderna授予了使用1-甲基假尿嘧啶核苷的专利，然而宾夕法尼亚大学同样获准了一项包括许多同样核苷在内的专利。 　　尽管如此，知识产权的不确定性并未冲击到Moderna的投资人。Kolchinsky表示，专利纷争可能是一个痛苦且昂贵的过程，但问题最终一定会被解决，Moderna也有充足的时间做这一切。另外，该公司银行账户中的经费也很充足&mdash &mdash 据推测达9亿美元，因此它可以继续签约制药合作伙伴，同时在科学投资上比其竞争对手花费更多钱。单说今年，Moderna计划在研究和开发领域分别投资1.5亿美元和1.8亿美元，远超其他信使核糖核酸制药公司。 　　&ldquo 引资之王&rdquo 　　Moderna蓬勃的发展动力离不开一个人：董事长Sté phane Bancel。&ldquo 他是一个销售天才。&rdquo 2012年前一直在该公司工作的科研人员Justin Quinn说。 　　在担任法国诊断技术公司bioMé rieux执行官5年之后，Bancel在2011年7月加入该公司，Afeyan曾反复邀请他经营旗舰风险投资旗下的公司，但是Bancel对大多数项目&mdash &mdash 聚焦某一疾病领域的新公司&mdash &mdash 都不感兴趣。 　　而Moderna有所不同：它具有重建制药行业的前景。对于能说会道、衣着时尚的Bancel来说，&ldquo 如果一家新公司具有真正的发展潜力，就很值得迎接职业挑战、面对薪资减少的风险。&rdquo Afeyan说。 　　Bancel很快就开始集资，并且获得极大成功，尽管一些人质疑他的策略。此前在Moderna公司工作的一名不愿具名的科研人员表示，Bancel利用他的领袖气质和人际关系以及公司合作者的影响力让投资人和合作方相信Moderna平台的独特之处，但同时却会掩饰公司面临的任何知识产权威胁。&ldquo 他做了大量的工作说服投资人向公司投资，但是其中的技术可以说100%都不是该公司自有的。&rdquo 这位前员工说。 　　作为回应，Bancel表示，Moderna的投资者在开支票之前当然作过考察：&ldquo 现在的投资公司都很精明。&rdquo 他表示，通过自主研发以及合作研究，Moderna正在探索若干项技术，但是他并未透露具体细节。&ldquo 18个月后，人们看到我们的专利后，就会知道我们现在在做什么。&rdquo 他颇有些神秘地说。 　　&ldquo 猛兽&rdquo 之志 　　在井然有序的坎布里奇总部，Moderna正在从头到脚购置最佳仪器武装自己的实验室。在其三楼的一个实验室中坐落着一套Bancel称之为&ldquo 猛兽&rdquo 的设备：一套每天可以在非人灵长类动物中进行50例信使核糖核酸检测的自动化设备。Moderna还计划今年晚些时候购置一套可以检测人类信使核糖核酸的设备。 　　目前，Moderna的资源可以使该公司启动50多项药物研发项目，其中大多数是和外部制药合作者共同进行，但是该公司也有3个资助经营的研发公司： Onkaido、Valera和Elpidera，分别聚焦于肿瘤、传染病和罕见病。Bancel表示，Valera将首先进行临床转移转化。&ldquo 到2016年，我们将会拥有现存所有治疗领域的试点。&rdquo 他说。 　　但是并不能保证临床上的成功。&ldquo 它可能会像此前信使核糖核酸研究领域遇到的问题一样。&rdquo 一位独立的生物技术咨询师James McSwiggen说，他曾与Moderna作过合作。其他基于核糖核酸的药物，如反义疗法、核糖核酸干预以及近来的微型核糖核酸技术等均达到了产业繁荣期，但是在展示其真正的临床效用之前，它们也曾经历过许多艰难困境。 　　Bancel对Moderna的期望是，让该公司迅速成长壮大，使其他任何对手都不足以与其抗衡。&ldquo 我们希望的公司是，如果你想从现在开始在5年之内研制出一种信使核糖核酸类的药物，你一定会拿起电话打给Moderna。&rdquo Bancel说，对于批评人士的观点，他表示：&ldquo 我知道一些人不高兴，我了解一些人很妒忌，我明白这一切，但这就是生活。&rdquo