2021年11月24日，世界卫生组织（WHO）首次收到来自南非的报告，发现了一种新的SARS-CoV-2变异株B.1.1.529，它还有一个我们现在更熟悉的名字，“奥密克戎”。
科学家是如何检测并发现新的病毒变异株的？答案离不开一种叫作基因组测序的过程。它帮助我们从微小的尺度上揭开生物和遗传的秘密。
遗传密码
对所有生物来说，携带和传递遗传信息的生物分子主要有两大类，分别是DNA（脱氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）。比如，我们人类就拥有双链DNA构成的基因组。
DNA和RNA的基本构件被称为核苷酸，每个核苷酸都包含一个重要的含氮碱基，也就是我们经常看见的“字母”。碱基之间遵循着固定的互补原则可以进行配对，DNA可以依据这一原则形成双链，而RNA和DNA之间也可以相互“翻译”转换。
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SARS-CoV-2是一种有包膜的单链RNA病毒，大约有30kb的基因组，也就是由30000个核苷酸共同组成，其中就包含了它们生存所需的所有遗传信息。
当病毒复制时，它们会将整个基因组复制并传递给后代。有时复制过程中的错误会导致突变，其中一个或多个基本单元可能被调换、删除或插入。这可能会改变基因，并最终影响这种生物的物理特征。
对于像SARS-CoV-2这样的RNA病毒来说，基因组的变化可能更容易发生。突变可以改变它们的传播和感染能力，甚至逃避免疫系统。
基因组如何被测序？
科学家在20世纪七八十年代使用的最早的方法之一被称为桑格测序法，它涉及将DNA切割成短片段，通过添加放射性或荧光标签来识别每个核苷酸。然后将这些片段放入一个电动筛子中，按大小进行分类。
与更新的方法相比，桑格测序法相对缓慢，而且只能处理比较短的DNA片段。
尽管存在这些限制，但它能提供相当准确的数据。一些研究人员仍在积极尝试使用这种方法对SARS-CoV-2样本进行测序。病毒的RNA可以首先通过碱基互补原则被“翻译”成互补DNA（cDNA），然后完成测序。
然而自20世纪90年代末以来，下一代测序技术（NGS）已经彻底改变了研究人员收集数据和了解基因组的方式。
NGS能同时处理更多的DNA，大大缩短了对基因组进行测序的时间。目前有两种主要类型的NGS平台，分别被称为第二代和第三代测序仪。
第二代技术能直接读取DNA。在DNA被切割成片段后，被称为衔接子的遗传物质的短片段会被添加到每个核苷酸上，使它带有不同颜色。例如，腺嘌呤被染成蓝色，胞嘧啶则被染成红色。最后，这些DNA片段会被送入计算机，并重新组装成完整的序列。
第三代技术，比如MinIon纳米孔测序，则是通过将整个DNA分子穿过测序仪中的一个电孔，直接对DNA 进行测序。
因为不同的核苷酸都以一种特定的方式干扰电流，测序仪就可以读取这些变化并直接上传到计算机。这让临床医生可以在医疗点的临床和治疗设施中对样本进行测序。但与其他NGS平台相比，纳米孔测序的DNA量较小。
尽管每一类测序仪处理DNA的方式各不相同，但它们都能在相对比较短的时间里报告出基因组中数百万或数十亿的核苷酸，时间从几小时到几天不等。
今年1月，《新英格兰医学杂志》刚发表一篇新的研究，一组研究团队创下了“最快的DNA测序技术”的吉尼斯世界纪录。他们开发的最新的超高速基因组测序技术最快情况下仅用5小时2分钟就完成了对一位病人的基因组测序。它帮助研究人员平均在8小时内就能诊断出潜藏在病人基因组内的罕见遗传疾病。
用测序数据对抗病毒
为什么基因组测序在抗击SARS-CoV-2的传播方面是一个如此重要的工具？
针对SARS-CoV-2的迅速的公共卫生响应，需要对这种病毒随时间的变化有深入的了解。自大流行开始以来，科学家几乎一直在使用基因组测序来实时追踪SARS-CoV-2病毒。无数个SARS-CoV-2基因组已被测序，并存入各种公共数据库中。
随着每个新变异株的出现，基因组监测能帮助研究人员识别传播到新地区的变异株，并为公共卫生决策提供了指导。
例如，对奥密克戎变异株的基因组测序让研究人员能够检测到突起蛋白上的30多处变异，正是这些蛋白让病毒与人体细胞结合。这让奥密克戎立刻成了一种被密切关注的变异株，因为这些突变会促进病毒的传播能力。自从2021年11月起，全球的科学家就一直在监测奥密克戎的传播，并就如何防止广泛的社区传播提出建议。
研究人员仍在了解这些突变可能如何影响奥密克戎所引起的感染的严重性，以及它在多大程度上能够逃逸目前的免疫体系。
基因组测序帮助我们了解这种病毒及其变异株的基因构成，提供关于如何遏制新变异株传播的基本信息，它将在大流行期间继续挽救无数生命。
#创作团队：
原文作者：
Andre Hudson（罗切斯特理工学院托马斯·H.戈斯内尔生命科学学院院长兼教授）
Crista Wadsworth（罗切斯特理工学院托马斯·H.戈斯内尔生命科学学院助理教授）
编译：Måka
排版：雯雯
#参考来源：
https://theconversation.com/genomic-sequencing-heres-how-researchers-identify-omicron-and-other-covid-19-variants-172935
https://www.who.int/news/item/26-11-2021-classification-of-omicron-(b.1.1.529)-sars-cov-2-variant-of-concern
https://apps.who.int/iris/bitstream/handle/10665/338483/WHO-2019-nCoV-genomic_sequencing-2021.1-chi.pdf
https://www.sciencedaily.com/releases/2022/01/220113092144.htm
#图片来源：
封面图：ILRI via Flickr under CC BY-NC-ND
首图：iSO-FORM LLC