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在微藻生物技术中，基因组序列无法完全预测代谢输出。研究人员针对盐生微绿球藻（Microchloropsis salina）和加迪塔微绿球藻（M. gaditana）开展甲基化组特征研究。结果发现它们缺乏常见的 5 - 甲基胞嘧啶（5mC），拥有 N6- 腺嘌呤甲基化（6mA），这为微藻研究及生物技术应用提供新思路。
在神奇的微观世界里，微藻这种小小的光合真核生物，虽然体型微小，却在地球的生态系统中发挥着巨大的作用。它们广泛分布在陆地和水生生态系统中，为全球贡献了超过 40% 的初级生产力，是地球上氧气和二氧化碳循环的重要参与者。不仅如此，部分微藻还能将碳固定到脂质生物分子中，这一特性让它们成为生物经济中生产生物燃料和生物产品的理想原料。像微绿球藻属（Microchloropsis）的物种，因其能大量生产三酰甘油和多不饱和脂肪酸，备受工业界关注。而且它们基因组相对较小且简单，为合成生物学和生物工程提供了绝佳的模型系统。
然而，在微藻生物技术蓬勃发展的背后，却隐藏着一些棘手的问题。尽管生物工程策略不断发展和应用，但基因组序列并不能总是准确预测微藻的代谢输出，尤其是在放大培养和户外生产过程中，微藻实际表现与理论潜力之间存在着巨大差距。这是因为环境条件和扰动会对微藻的功能和行为产生显著影响，而这种影响部分是由表观遗传过程介导的。DNA 甲基化作为一种常见的表观遗传修饰，在几乎所有真核生物中都参与基因转录调控，但在微藻中，其甲基化模式和功能却知之甚少。为了深入了解微藻的奥秘，解开微藻生物技术发展的瓶颈，来自洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）的研究人员开展了一项重要研究。
研究人员将目光聚焦在盐生微绿球藻（Microchloropsis salina）和加迪塔微绿球藻（M. gaditana）这两种具有重要应用潜力的微藻上，旨在探究它们的甲基化组特征，以及表观遗传修饰在微藻中的作用机制。他们通过一系列严谨的实验和分析，得出了令人瞩目的结论：这两种微藻缺乏真核生物中最常见的 DNA 甲基化形式 ——5 - 甲基胞嘧啶（5mC），反而拥有 N6- 腺嘌呤甲基化（6mA） 。这一发现不仅为理解微藻的遗传稳定性和环境适应性提供了新视角，也为优化微藻作为生物生产原料的性能开辟了新途径。相关研究成果发表在《Communications Biology》上，为该领域的发展注入了新的活力。
在研究过程中，研究人员运用了多种先进的技术方法。其中，全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS）用于在单碱基分辨率下评估 DNA 甲基化情况；牛津纳米孔测序（ONT）则实现了对甲基化碱基的直接测量，包括 5mC、5 - 羟甲基胞嘧啶（5hmC）和 6mA ；此外，还利用生物信息学分析对微藻基因组中的甲基转移酶进行预测和鉴定。通过这些技术的综合运用，研究人员得以全面深入地探究微藻的甲基化组特征。
下面让我们详细看看研究结果：
- 5 - 氮杂 - 2'- 脱氧胞苷（5AZA）对 M. salina 生长无影响：研究人员在实验中添加 5AZA，这种物质能够抑制负责 5mC DNA 甲基化的主要酶。他们对 M. salina 进行培养，在不同剂量 5AZA 处理下，通过测量光密度（OD750）来评估微藻的生长情况。结果发现，无论在初始生长阶段还是后续的每日处理中，不同剂量的 5AZA 处理都没有对 M. salina 的生长产生显著影响。这一现象暗示着 M. salina 可能并不依赖 5mC DNA 甲基化来调控生长。
- 5mC ELISA 未检测到 M. salina 中的 DNA 甲基化：为了进一步探究 M. salina 中是否存在 5mC DNA 甲基化，研究人员采用 ELISA 技术对其进行检测。他们使用两种不同厂商的 ELISA 试剂盒，对来自不同培养条件下的 M. salina 基因组 DNA（gDNA）进行分析。然而，所有样本的 5mC 水平与阴性对照相比，均无显著差异。这表明，从整体水平上看，M. salina 中不存在明显的 5mC DNA 甲基化。
- WGBS 未发现 Microchloropsis spp. 中有显著水平的 5mC：尽管 ELISA 方法未检测到显著的 5mC，但研究人员考虑到可能存在特定碱基或位点的 5mC 甲基化未被检测到的情况。于是，他们采用 WGBS 这一金标准方法，对 M. salina 和 M. gaditana 在不同氮营养条件下的细胞进行分析。结果显示，在这两种微藻的任何生长条件下，都未发现显著的全球水平 5mC。进一步在单碱基分辨率下的分析也表明，它们缺乏 5mC 高甲基化碱基，且在不同氮营养条件下，没有胞嘧啶的甲基化模式发生显著变化。这一系列结果有力地证明了 5mC DNA 甲基化在 Microchloropsis spp. 中可能并不发挥重要的功能。
- Microchloropsis spp. 中推定甲基转移酶的鉴定：研究人员通过生物信息学分析，对 Microchloropsis spp. 基因组中是否存在推定的 DNA 甲基转移酶进行探究。结果发现，在这两种微藻中，均未鉴定出与模式物种中已知的 5mC 甲基转移酶或 TET 蛋白（负责将 5mC 转化为 5hmC）同源的蛋白质。然而，他们却发现了多个与 N6 - 腺嘌呤甲基化（6mA）相关的蛋白质同源物，特别是 N6AMT1 的同源物。这一发现为后续研究 6mA 在微藻中的作用奠定了基础。
- 牛津纳米孔单分子实时测序鉴定出 M. salina 和 M. gaditana 中存在显著水平的 6mA：基于前面的发现，研究人员利用牛津纳米孔技术（ONT）对 M. gaditana 在不同光照条件下的样本进行测序。结果显示，ONT 测序未检测到显著水平的 5mC 或 5hmC，但却发现了显著的 6mA 全球水平和高甲基化的 6mA 碱基。这一结果不仅证实了 Microchloropsis spp. 中存在 6mA，还表明 6mA 可能是该微藻中一种重要的表观遗传调控机制。
- M. gaditana 的 6mA 甲基化组在光周期中无变化：研究人员进一步对 M. gaditana 的 6mA 甲基化组进行深入分析，探究其在光周期中的变化情况。他们发现，6mA 在 M. gaditana 的基因组中分布广泛，主要富集在基因区域（外显子和内含子），且在富含鸟嘌呤的基序中更为常见。然而，通过对不同光周期下的样本进行差异甲基化分析，发现 6mA 水平在碱基对分辨率或基因体上均未发生显著变化。这表明，6mA 在 M. gaditana 中的作用可能并非直接参与光周期响应的转录调控。
- 转录组学分析显示光周期响应的差异基因表达与 6mA DNA 甲基化水平无关：为了进一步探究 6mA 与基因表达之间的关系，研究人员对 M. gaditana 在光周期不同阶段的 mRNA 转录响应进行分析。通过 RNA 测序（RNA - seq），他们发现光周期的变化会诱导 M. gaditana 中约 400 个基因的差异表达。然而，对这些差异表达基因相关的 6mA 水平进行分析后发现，6mA 水平与基因表达变化之间几乎没有相关性。这一结果进一步支持了 6mA 在 M. gaditana 中可能不直接参与转录调控的结论。
综合研究结论和讨论部分，这项研究首次全面地证明了 Microchloropsis spp. 缺乏 5mC DNA 甲基化，而拥有 6mA 甲基化，这一发现让 Microchloropsis spp. 在真核生物中显得十分独特。它为我们理解藻类系统发育中 5mC 修饰的进化提供了关键信息，同时也为研究其他表观遗传过程，如组蛋白修饰和 6mA 的功能，提供了一个全新的真核生物模型。此外，6mA 在微藻中的发现，为改善微藻作为生物生产原料的遗传稳定性、抵抗病原体以及优化生物工程应用提供了令人期待的研究方向。这一研究成果不仅加深了我们对微藻表观遗传学的理解，更为微藻生物技术的发展开辟了新的道路，具有重要的理论和实践意义。
