应北京大学“大学堂”顶尖学者讲学计划的邀请，著名化学家、生物学家Shankar Balasubramanian爵士于2023年10月访问我校，并于10月19日在北京大学图书馆科学报告厅进行了题为“The chemical methodology for decoding genome function“（解码基因组功能的化学方法）的讲座。讲座由生物医学前沿创新中心（BIOPIC）黄岩谊教授主持Shankar Balasubramanian现任英国剑桥大学化学系药物化学赫歇尔·史密斯讲席教授、英国癌症研究中心剑桥研究所资深研究员，他是英国皇家学会院士、英国医学科学院院士、剑桥大学三一学院院士、美国国家科学院外籍院士，他获得了2021年千禧年技术奖和2022年生命科学突破奖，是Illumina/Solexa测序技术的发明者。

讲座现场

时值DNA双螺旋结构发现70周年之际，Shankar Balasubramanian首先介绍了新一代DNA测序技术的起源。他从DNA的分子结构讲起，Watson、Crick等人的研究阐明了DNA双链通过碱基配对彼此结合的基本结构，这也正是后续高通量测序方法最核心的机理。在桑格测序方法中使用的终止子化学以及对DNA聚合酶基本化学机制研究的铺垫下，他设计了用于二代测序的核苷酸底物，包含连接在碱基上可被切除的荧光基团和连接在核苷酸3位羟基上用于终止反应的可逆保护基团。 高通量测序技术的另一个要点在于DNA固相合成技术，该技术可以依托于设计好的核苷酸底物进行边合成边测序的反应。针对大规模的测序工作，例如人类基因组测序，他开发了单分子克隆阵列方法，将DNA固相合成集成为一个阵列，显著增加了测序通量，加快了大规模测序的速度。这些方法都共同构成了如今被广泛使用的可逆终止测序方法的基石，将DNA测序成本降低了6个数量级以上。 值得一提的是，他为观众展示了2005年使用该原理对噬菌体ΦX-174基因组测序的一张珍贵的实验图像。

除了DNA的序列信息方面的研究，Shankar Balasubramanian还在DNA表观遗传信息的研究中取得了重要的成果。表观修饰对蛋白质结合DNA具有很大的影响，其中蕴含了很多生物学信息。最为典型的便是碱基胞嘧啶（C）上含有的修饰，包括5-甲基胞嘧啶（5mC）、5-甲酰基胞嘧啶（5fC）、5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）等。 针对于DNA表观修饰，通过Bisulfite 反应，可以将C碱基转变为U碱基；通过5fC的脱甲酰化反应，可以将5fC转变为C；通过5hmC的钌催化反应，可以将5hmC转变为5fC。在诸如此类的碱基转变化学的指导下，诞生了oxBS-seq，BS-seq，redBS-seq等表观测序方法。 但是如果进行了碱基转变，DNA信息就会有丢失。因此他开发了对测序编码的扩展方案，通过使用双碱基编码方法扩展出了16种DNA碱基状态。该方法通过一个环，在保护表观修饰的同时对原始DNA进行一次复制，之后在测序过程中便可以同时测得DNA的序列信息和表观修饰信息。

Shankar Balasubramanian介绍了G四聚体测序方法：G4-seq。科学家们已经发现，在富含鸟嘌呤（G）的核酸区域，这些G碱基会包围一价阳离子形成四聚体二级结构。在测序时，可以使用锂离子测序，避免G四聚体产生。随后进行第二次测序，并在测序时加入钾离子和G四聚体稳定剂，测序时形成的G四聚体结构会影响测序，最终导致大片段的错配。该方法可以被用于探索染色质上富含G四聚体的区域。

报告中，Shankar Balasubramanian分享了自己在测序技术开发方面取得的一个个进展，展示了科学家时常使用的方法如何在实验室中初次诞生，发人深省。在问答环节，他一一细致解答了观众提出的问题。会后，意犹未尽的同学们又围着他深入讨论。 讲座结束后，他与BIOPIC研究员等就科学问题和学术合作等进行了深入探讨。

讲座现场

本次活动由北京大学主办，生物医学前沿创新中心、国际合作部承办，并得到了北京大学教育基金会的支持。同时，讲座还通过北京大学官方微信视频号、B站、抖音、快手等平台线上直播，全平台观看人数超过20万人次。