Nature子刊：突破性測序技術繪制甲基化圖譜
日期：2012-11-21 08:24:59
通過一種新的DNA測序技術，研究人員首次繪制了致病菌全基因組甲基化標記圖譜。通過比較相關菌株之間的甲基化模式，他們發現了稱作噬菌體的病毒感染細菌顯著改變宿主的一種方式。
布萊根婦女醫院（Brigham and Womens Hospital）、霍華德休斯醫學研究所研究員Matthew K. Waldor和紐約西奈山醫學院的Eric Schadt共同領導了這一研究。研究結果發表在11月8日的《自然生物技術》（Nature Biotechnology）雜志上。
Waldor一直在對導致2011年德國疾病爆發的大腸桿菌菌株進行研究。他說很明顯疾病爆發的早期階段引起疾病的病原體并不獨特，他感到奇怪是什么導致了它們不同尋常的毒性。在調查的過程中，他和同事們觀察發現致病大腸桿菌菌株（大腸桿菌O104:H4）相比強毒株某些基因的甲基化存在差異。
一個生物體的基本遺傳藍圖存在于構成DNA的核苷酸序列中，而其他的信息則編碼在這些核苷酸的化學修飾中。眾所周知，在動物和植物中甲基化作用是關閉基因。在一些模式細菌物種中，已知DNA修飾會影響染色質復制、基因表達和毒性。但科學家們缺少細菌基因組中DNA甲基化效應的完整圖譜。
當Waldor和同事們對之前觀察到的改變的甲基化模式進行研究時，他們發現一種獨特的噬菌體（一種病毒）感染了這種強毒的大腸桿菌菌株。此外，當這一噬菌體侵入細菌細胞時，它配備的一種蛋白可以將甲基基團添加到DNA上。
Waldor說：“我們想知道噬菌體的甲基化系統是否會影響感染細菌的甲基化，它是否甚至能夠影響這一生物體的毒性。”
為了解答這一問題，Waldor研究小組轉而借助了一種稱作單分子實時（SMRT）DNA測序（點擊索取免費相關資料）的相對較新的技術。大部分的DNA測序方法只報告構成遺傳密碼的四種核苷酸——腺嘌呤、胞嘧啶、鳥嘌呤和胸腺嘧啶的序列。但SMRT測序以不同的方式運行。“利用這一技術，你可以檢測DNA合成，同時你可以獲得關于堿基次序的信息，你還可以獲得每個堿基添加的動力學信息，” Waldor解釋說。在2010年，Pacific Biosciences公司的研究人員發現堿基的化學修飾可以改變這些動力學——例如如果模板堿基有甲基基團附著，堿基的添加會減慢。
這表明利用SMRT測序可以繪制出基因的化學修飾。Waldor研究小組不只是分析了單個基因，他們利用SMRT繪制了整個大腸桿菌O104:H4基因組的甲基化模式。他們發現了5萬多個甲基化位點。“我們的論文第一次證實了這一技術能夠真正在全基因組水平上、以單核苷酸分辨率使用，” Waldor說。
科學家們還證實他們研究的大腸桿菌菌株具有11種控制甲基化的酶。其中七種是以前從未研究過的甲基轉移酶。Waldor團隊確定了這些甲基轉移酶往往將甲基基團添加到哪些基因序列上。隨后他們將注意力從感染致病菌O104:H4的噬菌體轉移到甲基轉移酶上。
當大腸桿菌O104:H4感染噬菌體時，不僅增加了成千上萬的甲基化位點，超過三分之一的細菌基因也改變了表達模式。“看到感染這一病毒能夠對整個基因組的轉錄產生如此深遠的全面效應，我們感到非常吃驚，” Waldor說。病毒甲基轉移酶的存在影響了細菌的生長率，盡管沒有最終影響它的全部毒性。
Waldor說進一步研究對改變大腸桿菌特性至關重要的甲基基團將有助于研究人員了解甲基化對細菌生命周期、傳染力、甚至或許是耐藥性的作用。且SMRT技術（點擊索取免費相關資料）現在可以應用于其他的細菌菌株和類型。現在，這一方法只在細菌中起作用，但Waldor期望這一情況能迅速發生改變。
他說：“這就像有一臺新顯微鏡能看到過去從未見過的東西。它將推動開展新一代的研究了解細菌王國中DNA修飾的重要性，我們想不會太久就可應用到所有的生命王國中。”
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