《Nature Genetics》表观遗传学新发现

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谈到DNA的甲基化,大家往往更关注5-甲基胞嘧啶(5mC)。事实上,原核生物DNA甲基化有3种型式:5mC、4mC和6mA(6-甲基腺嘌呤)。科学家们曾经以为6mA修饰不存在于高等生物基因组。

但是随着检测技术的进步,近年来少数科学家们陆续在低等单细胞真核生物、植物和动物基因组内检测到低了水平的6mA,然而,有关6mA与真核生物基因组功能的研究基本还是一片空白。


《Nature Genetics》最近刊登了一篇有关SMRT技术在6mA表观遗传学功能分析方面的最新进展。采用PacBio单分子测序对16种不同真菌基因组进行的测序,研究人员意外地观察到在某些真菌的基因组中,高达2.8%的腺嘌呤发生了甲基化,远远超过其他真核生物和衍生真菌中观察到的水平。

研究人员发现,6mA对称地出现在ApT(腺嘌呤-胸腺嘧啶二核苷酸)富集区,并且在表达基因的转录起始位点周围出现密集的甲基化腺嘌呤簇,其分布与5mC的分布呈负相关,这提示了6mA作为真核生物中基因表达相关表观遗传标记的独特作用。更精细的检测结果证明,第三代测序在研究甲基化信息上比二代测序更具优势。


第三代单分子测序无需扩增,能够根据读取信号的延迟(通俗的解释是由于甲基化修饰造成的空间阻碍)在测序的同时额外直接获取更真实全面的甲基化修饰信息,不需要重亚硫酸盐处理,将为表观遗传研究带来更丰富的信息。


由Pacific Biosciences公司开发研制的革命性SMRT技术在测序历史上首次实现了人类观测单个DNA聚合酶聚合过程的梦想。该技术通过光学方法直接记录单个聚合酶在不受干扰的情况下的连续合成,其读长之长,测序速度之快,灵活性之大,已经使许多极富挑战的基因组学研究成为可能。可用于基础研究、临床诊断、传染病研究、卫生防疫等多个领域。

真菌中的“早期分化系(early diverging lineages)”是真菌家族里最早的分支。与其他真菌成员相比,人们对早期分化系的了解相对贫乏。


美国能源合作基因组研究部对16种真菌基因组进行了大规模的测序分析。发现了6mA修饰普遍存在于早期真菌种属的事实。


研究人员采用Pacific Biosciences测序平台(型号:PacBio SMRT Analysis 2.3.0)观察到在早期分化的真菌基因组中,高达2.8%的腺嘌呤发生了甲基化,远高于有报道的其他真核生物(之前6mA修饰记录的保持者是Chlamydomonas reinhardtii,基因组中0.4%的腺嘌呤拥有甲基化标签)。


5mC一般对称地出现在反义DNA链的回文CpG岛(胞嘧啶-鸟嘌呤二核苷酸密集区域)。本研究发现,早期分化系真菌的6mA则是以对称的方式,出现在ApT富集区。6mA在两股DNA链上同步出现,可能也是为了便于甲基化传递。


早期分化系真菌的6mA有80-99.6%都出现在 “甲基腺嘌呤集群(methylated adenine clusters, MACs)”。而6mA含量较低的双核菌亚界(Dikarya)真菌并未发现的这种分布规律,而是散乱的非簇状排列。


研究团队发现,5mC和6mA还存在着负相关性。具体来说,当5mC出现在基因组的重复区域时,MACs便会出现在启动子上。这暗示了作为真核生物中基因表达相关的表观遗传标记,6mA可能具有独特的作用。


这次的研究是我们首次在真核生物基因组内直接对5mC和6mA进行比较分析,并且也是首个真菌6mA分析研究,结果表明,6mA与基因表达相关,且选择性地附着于功能相关基因,表示6mA是重要功能相关基因的生物标签


研究人员还使用免疫沉淀法(ChIP-seq和6mA IP-seq)和质谱分析法(LC-MS)等传统甲基化检测方法对比验证了SMRT测序的新发现。


在早期分支系真菌中,Illumina二代测序技术和质谱技术都与SMRT测序结果一致。但是在其他6种Dikarya菌中,SMRT测序技术的检出率高于其他测序方法。文中讨论部分作者写道:这可能是其他技术的灵敏度低于SMRT测序,也可能是SMRT-seq技术的假阳性偏高。


考虑到其他10种基因组测序结果的一致性,未来,第三代测序技术可能将更频繁地出现在国际顶级期刊报道之中。

原文标题:Widespread adenine N6-methylation of active genes in fungi

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