Nature子刊：突破性测序技术绘制甲基化图谱

　　

生物通报道  通过一种新的DNA测序技术，研究人员首次绘制了致病菌全基因组甲基化标记图谱。通过比较相关菌株之间的甲基化模式，他们发现了称作噬菌体的病毒感染细菌显著改变宿主的一种方式。

布莱根妇女医院（Brigham and Women's Hospital）、霍华德休斯医学研究所研究员Matthew K. Waldor和纽约西奈山医学院的Eric Schadt共同领导了这一研究。研究结果发表在11月8日的《自然生物技术》（Nature Biotechnology）杂志上。

Waldor一直在对导致2011年德国疾病爆发的大肠杆菌菌株进行研究。他说很明显疾病爆发的早期阶段引起疾病的病原体并不独特，他感到奇怪是什么导致了它们不同寻常的毒性。在调查的过程中，他和同事们观察发现致病大肠杆菌菌株（大肠杆菌O104:H4）相比强毒株某些基因的甲基化存在差异。

一个生物体的基本遗传蓝图存在于构成DNA的核苷酸序列中，而其他的信息则编码在这些核苷酸的化学修饰中。众所周知，在动物和植物中甲基化作用是关闭基因。在一些模式细菌物种中，已知DNA修饰会影响染色质复制、基因表达和毒性。但科学家们缺少细菌基因组中DNA甲基化效应的完整图谱。

当Waldor和同事们对之前观察到的改变的甲基化模式进行研究时，他们发现一种独特的噬菌体（一种病毒）感染了这种强毒的大肠杆菌菌株。此外，当这一噬菌体侵入细菌细胞时，它配备的一种蛋白可以将甲基基团添加到DNA上。

Waldor说：“我们想知道噬菌体的甲基化系统是否会影响感染细菌的甲基化，它是否甚至能够影响这一生物体的毒性。”

为了解答这一问题，Waldor研究小组转而借助了一种称作单分子实时（SMRT）DNA测序（点击索取免费相关资料）的相对较新的技术。大部分的DNA测序方法只报告构成遗传密码的四种核苷酸——腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶的序列。但SMRT测序以不同的方式运行。“利用这一技术，你可以检测DNA合成，同时你可以获得关于碱基次序的信息，你还可以获得每个碱基添加的动力学信息，” Waldor解释说。在2010年，Pacific Biosciences公司的研究人员发现碱基的化学修饰可以改变这些动力学——例如如果模板碱基有甲基基团附着，碱基的添加会减慢。

这表明利用SMRT测序可以绘制出基因的化学修饰。Waldor研究小组不只是分析了单个基因，他们利用SMRT绘制了整个大肠杆菌O104:H4基因组的甲基化模式。他们发现了5万多个甲基化位点。“我们的论文第一次证实了这一技术能够真正在全基因组水平上、以单核苷酸分辨率使用，” Waldor说。

科学家们还证实他们研究的大肠杆菌菌株具有11种控制甲基化的酶。其中七种是以前从未研究过的甲基转移酶。Waldor团队确定了这些甲基转移酶往往将甲基基团添加到哪些基因序列上。随后他们将注意力从感染致病菌O104:H4的噬菌体转移到甲基转移酶上。

当大肠杆菌O104:H4感染噬菌体时，不仅增加了成千上万的甲基化位点，超过三分之一的细菌基因也改变了表达模式。“看到感染这一病毒能够对整个基因组的转录产生如此深远的全面效应，我们感到非常吃惊，” Waldor说。病毒甲基转移酶的存在影响了细菌的生长率，尽管没有最终影响它的全部毒性。

Waldor说进一步研究对改变大肠杆菌特性至关重要的甲基基团将有助于研究人员了解甲基化对细菌生命周期、传染力、甚至或许是耐药性的作用。且SMRT技术（点击索取免费相关资料）现在可以应用于其他的细菌菌株和类型。现在，这一方法只在细菌中起作用，但Waldor期望这一情况能迅速发生改变。

他说：“这就像有一台新显微镜能看到过去从未见过的东西。它将推动开展新一代的研究了解细菌王国中DNA修饰的重要性，我们想不会太久就可应用到所有的生命王国中。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Genome-wide mapping of methylated adenine residues in pathogenic Escherichia coli using single-molecule real-time sequencing

Single-molecule real-time (SMRT) DNA sequencing allows the systematic detection of chemical modifications such as methylation but has not previously been applied on a genome-wide scale. We used this approach to detect 49,311 putative 6-methyladenine (m6A) residues and 1,407 putative 5-methylcytosine (m5C) residues in the genome of a pathogenic Escherichia coli strain. We obtained strand-specific information for methylation sites and a quantitative assessment of the frequency of methylation at each modified position. We deduced the sequence motifs recognized by the methyltransferase enzymes present in this strain without prior knowledge of their specificity. Furthermore, we found that deletion of a phage-encoded methyltransferase-endonuclease (restriction-modification; RM) system induced global transcriptional changes and led to gene amplification, suggesting that the role of RM systems extends beyond protecting host genomes from foreign DNA.