北京大学Nature Methods发布表观遗传重要成果

　　

生物通报道   来自北京大学、芝加哥大学的研究人员称他们开发出了一种非重亚硫酸盐方法，并利用这种方法以单碱基分辨率分析了小鼠胚胎干细胞（mESCs）中的全基因组5- 胞嘧啶甲酰（5-formylcytosine，5fC）。这一重要的研究成果发布在9月7日的《自然方法》（Nature Methods）杂志上。

北京大学生命科学学院伊成器(Chengqi Yi)研究员以及芝加哥大学的何川（Chuan He）教授是这篇论文的共同通讯作者。伊成器博士的主要研究领域是通过化学生物学、结构生物学、高通量测序等手段，对核酸修饰的生物功能及其生理调控机制进行研究。何川教授其主要从事化学生物学、核酸化学和生物学、遗传学等方面的研究。近年来在甲基化修饰，尤其是5hmC和m6A等方面获得了许多重要的发现。

在高等生物中比较普遍的DNA修饰方式主要是胞嘧啶甲基化，生成5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine，5mC），这一过程可以通过双加氧酶TET家族蛋白转化成另外一种修饰形式：5-羟甲基胞嘧啶（5-hydroxymethylcytosine，5hmC）。并且TET蛋白可进一步氧化5-hmC为5fC和5-胞嘧啶羧基(5-carboxylcytosine,5caC)。这些研究发现为我们揭示出了哺乳动物基因组DNA主动去甲基化的新范式（延伸阅读：付向东教授Nature发布表观遗传研究新成果 ）。

除了充当去甲基化中间产物，这些5mC的氧化变体有可能还具有功能性作用。一些证据表明，5hmC作为一种稳定的表观遗传修饰与许多生物学过程和各种疾病有关。5fC和5caC在远端调控元件处累积，可以被胸腺嘧啶DNA糖基化酶（thymine DNA glycosylase，TDG）介导的碱基切除修复所除去。

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许多细胞类型和所有的重要器官中都有5fC，其以0.02%-0.002%的水平存在于胞嘧啶上，比5hmC水平低大约10-100倍。因此需要高度敏感及选择性的方法在全基因组范围内检测这一衍生物。在以往的研究中，何川教授、张毅教授以及其他的科学家们曾开发出一些基于化学、酶或抗体的方法来富集基因组DNA中的5fC，但这些基于亲和力的方法分辨率有限。近年来开发的一些碱基分辨率方法都依赖重亚硫酸盐处理有效地让5fC脱氨基，这可以导致进一步的DNA降解。利用基于重亚硫酸盐的方法需要异常高的测序深度，因此成本高昂。到目前为止，研究人员还只分析了野生型mESCs部分基因组的5fC。

在这篇新文章中研究人员描述了一种非重亚硫酸盐方法fC-CET，这一方法采用了选择性化学标记5fC，及在随后的PCR过程中将胞嘧啶（C）转换为胸腺嘧啶（T）的策略。利用这种方法，他们绘制出了mESCs全基因组水平5fC碱基分辨率图谱。研究人员在野生型（Tdgfl/fl）和无Tdg（Tdg−/− ）mESCs中分别鉴别出了32,685和139,027个高可信5fC位点。其中大部分的5fC位点都定位在基因内区域，尤其富集于外显子中。

研究人员随后调查了5fC和5hmC的空间关系，发现尽管5fC-和5hmC-富集区域很大程度上重叠，但在单碱基水平上5fC和5hmC显示有限的重叠：只有大约22.2%的5fC位点(7,249 / 32,685)从前被鉴别为5hmC。这些结果表明了5fC和5hmC位点有可能具有不同的稳态特征。鉴于5fC和5hmC被不同的阅读器蛋白识别，5fC和5hmC位点之间在单碱基水平上有限的重叠进一步表明了它们具有不同的生物学作用。此外，通过计算TAB测序检测的5hmC位点上5hmC和5fC的丰度，研究人员证实5fC标记区域比5hmC标记区域更加活化。

在论文的最后作者们指出，由于不会导致DNA显著降解，fC-CET还有潜力用于分析一些珍贵的DNA包括临床样本。此外，如果结合fC-CET及将5mC或5hmC选择性转换为5fC，这一非重亚硫酸盐方法还有可能可以更广泛应用于表观遗传测序。

（生物通：何嫱）
 
生物通推荐原文摘要：

Bisulfite-free, base-resolution analysis of 5-formylcytosine at the genome scale

Active DNA demethylation in mammals involves oxidation of 5-methylcytosine (5mC) to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), 5-formylcytosine (5fC) and 5-carboxylcytosine (5caC). However, genome-wide detection of 5fC at single-base resolution remains challenging. Here we present fC-CET, a bisulfite-free method for whole-genome analysis of 5fC based on selective chemical labeling of 5fC and subsequent C-to-T transition during PCR. Base-resolution 5fC maps showed limited overlap with 5hmC, with 5fC-marked regions more active than 5hmC-marked ones.

作者简介：

伊成器

科研领域描述
主要通过化学生物学、结构生物学、高通量测序等手段，对核酸修饰的生物功能及其生理调控机制进行研究。一方面，核酸的化学修饰对许多重要生命过程（比如5-甲基胞嘧啶及其氧化产物对基因表达及细胞发育过程、RNA编辑对选择性剪接及蛋白质翻译过程等等）都有着广泛而深远的影响；另一方面，异常的核酸修饰（比如DNA及RNA损伤）则会导致细胞衰老、死亡及致癌性变异等严重后果。因此，我们将通过灵敏、高效的检测手段的建立，对许多核酸修饰的产生及调控过程进行研究，并对其生物功能进行阐述。具体的研究内容包括：（1）新颖RNA修饰对小分子RNA（microRNA）及长链非编码RNA（lincRNA）功能的影响及机理；（2）碱基切除及核苷酸切除DNA修复通路在防止细胞衰老及癌变过程中的分子机制；（3）以核酸修饰为机理的表观遗传学。

教育经历
2010 - 2011 , 博士后 , 核酸生物学 , 芝加哥大学
2005 - 2010 , 理学博士 , 化学生物学 , 芝加哥大学
2001 - 2005 , 理学学士 , 化学 , 中国科学技术大学

工作经历
2012 - 至今 , 研究员 , 北京大学

荣誉
“青年****”（第二批）入选者 , 2012
IUPAC Prize for Young Chemists , 2011
Chemistry Alumni Graduate Fellowship , 2009