Cell：新測序技術揭示DNA中看不見的信息
日期：2012-05-26 08:02:39
自DNA的“第六種堿基”被揭示出來，遺傳學家們就面對著一個相似的問題。構成DNA的其中一種堿基胞嘧啶的兩種修飾看起來幾乎相同，然而卻意味著不同的事物。而科學家們卻尚未獲得一種途徑來逐個逐個堿基讀取DNA，詳細檢測這些修飾在特異組織或細胞類型中的位置。
現(xiàn)在由來自芝加哥大學、加州大學圣地亞哥分校路德維希癌癥研究所和埃默里大學的科學家們組成的一個研究小組開發(fā)和檢測了一項能夠完成這一任務的新技術。研究結果在線發(fā)布在5月17日的《細胞》（Cell）雜志上。
研究小組利用這一技術對來自人類和小鼠胚胎干細胞的DNA中的5-甲基胞嘧啶(5-mC)和5-羥甲基胞嘧啶(5-hmC)進行了定位，揭示了關于它們分布模式的新信息。研究表明這些DNA修飾在諸如細胞分化、癌癥和腦功能等基本生命過程中發(fā)揮了重要的作用。
芝加哥大學化學系教授何川（Chuan He）說：“它們調控了基因表達，對于干細胞發(fā)育、各種人類疾病如癌癥以及潛在對于神經退行性被疾病產生了廣泛的影響。它們甚至可能影響了人類大腦的發(fā)育?！?/SPAN>
幾十年來科學家們一直在致力研究5-mC的模式，是表觀遺傳學領域的一個重要部分。然而數(shù)年前研究人員還只知道5-hmC以顯著的水平存在于我們DNA中?？茖W家們常常在關閉的基因上發(fā)現(xiàn)5-mC，它幫助沉默了不應該被開啟的基因。與之相反，5-hmC似乎富集在活躍的基因上，尤其是腦細胞中。此外，可將5-mC轉換為 5-hmC的Tet酶如果發(fā)生缺陷則可以驅動白血病形成，表明5-hmC改變在癌癥中起重要作用。
新論文描述了一種可用于直接檢測5-hmC的稱之為TAB-Seq的新方法，并呈獻了第一張單堿基分辨率的5-hmC全基因組圖譜。何川和他的三名學生設想和開發(fā)了這項技術，當前正在對他們的這項發(fā)明申請專利；芝加哥大學和位于芝加哥的Wisegene合作正進一步開發(fā)這項技術。
表觀遺傳學領域的研究人員期待TAB-Seq將對他們的研究工作產生重大影響。
薩克生物研究所教授Joseph Ecker（未參與該研究）說：“這是一個重大的突破，TAB-Seq利用了廣泛認可的新一代DNA測序方法實現(xiàn)了對哺乳動物基因組所有5-hmC的精確定位。該研究清楚地表明獲得關于這一了解甚少的表觀遺傳學調控因子的有用信息需要以堿基水平的精確度來測定5hmC的確切位置。我希望他們的新方法即將獲得廣泛應用?！?/SPAN>
另外兩個研究團隊，來自加州大學圣地亞哥分校路德維希癌癥研究所的任兵（Bing Ren，生物通音譯）實驗室將TAB-Seq應用到了人類胚胎干細胞，而埃默里大學的金鵬（Peng Jin，生物通音譯）研究小組則將這一方法應用到了小鼠胚胎干細胞中。
過去的研究顯示5-hmC存在于開啟的基因上。現(xiàn)在，增高的分辨率和隨后對于小鼠和人類胚胎干細胞的研究揭示相比于基因其他被讀取為RNA的部分，5-hmC最常存在于調控基因活性的增強子上。
“利用這種新技術我們知道了這種修飾在基因組中稱為增強子的區(qū)域最為豐富。hmC的這種潛在的調控作用或可解釋其在胚胎干細胞中的重要性，以及為何它的破壞有可能導致白血病發(fā)生，”任兵實驗室博士后研究人員Gary Hon說。Gary Hon負責對人類胚胎干細胞中的5hmC進行了全基因組分析。
與5-mC的另一個區(qū)別是5-hmC通常只存在于DNA的一側。與之相反，5-mC通常呈對稱分布?？傮w上說，5-hmC的豐度相比5-mC要少大約14倍。研究小組利用這項新技術發(fā)現(xiàn)甚至在5-hmC最為豐富的位點，仍然只有5-mC頻率的五分之一。
此前的研究發(fā)現(xiàn)5-hmC在腦細胞中的豐度相比于干細胞中要多10倍，因此它有可能在腦細胞中發(fā)揮了尤其重要的作用。金鵬實驗室利用這項新技術在發(fā)育大腦中精確繪制了5-hmC。
“要真正看到5-hmC可能具有的各種功能，我們還需要在諸如大腦發(fā)育等過程中觀測它是如何隨著時間推移出現(xiàn)和消失的。新技術將使我們和其他研究人員能夠深入，并以高分辨率獲得這些信息，”埃默里大學人類遺傳學副教授金鵬說。
