Cell：新测序技术揭示DNA中看不见的信息

　　

生物通报道  自DNA的“第六种碱基”被揭示出来，遗传学家们就面对着一个相似的问题。构成DNA的其中一种碱基胞嘧啶的两种修饰看起来几乎相同，然而却意味着不同的事物。而科学家们却尚未获得一种途径来逐个逐个碱基读取DNA，详细检测这些修饰在特异组织或细胞类型中的位置。

现在由来自芝加哥大学、加州大学圣地亚哥分校路德维希癌症研究所和埃默里大学的科学家们组成的一个研究小组开发和检测了一项能够完成这一任务的新技术。研究结果在线发布在5月17日的《细胞》（Cell）杂志上。

研究小组利用这一技术对来自人类和小鼠胚胎干细胞的DNA中的5-甲基胞嘧啶(5-mC)和5-羟甲基胞嘧啶(5-hmC)进行了定位，揭示了关于它们分布模式的新信息。研究表明这些DNA修饰在诸如细胞分化、癌症和脑功能等基本生命过程中发挥了重要的作用。

芝加哥大学化学系教授何川（Chuan He）说：“它们调控了基因表达，对于干细胞发育、各种人类疾病如癌症以及潜在对于神经退行性被疾病产生了广泛的影响。它们甚至可能影响了人类大脑的发育。”

几十年来科学家们一直在致力研究5-mC的模式，是表观遗传学领域的一个重要部分。然而数年前研究人员还只知道5-hmC以显著的水平存在于我们DNA中。科学家们常常在关闭的基因上发现5-mC，它帮助沉默了不应该被开启的基因。与之相反，5-hmC似乎富集在活跃的基因上，尤其是脑细胞中。此外，可将5-mC转换为 5-hmC的Tet酶如果发生缺陷则可以驱动白血病形成，表明5-hmC改变在癌症中起重要作用。

新论文描述了一种可用于直接检测5-hmC的称之为TAB-Seq的新方法，并呈献了第一张单碱基分辨率的5-hmC全基因组图谱。何川和他的三名学生设想和开发了这项技术，当前正在对他们的这项发明申请专利；芝加哥大学和位于芝加哥的Wisegene合作正进一步开发这项技术。

表观遗传学领域的研究人员期待TAB-Seq将对他们的研究工作产生重大影响。

萨克生物研究所教授Joseph Ecker（未参与该研究）说：“这是一个重大的突破，TAB-Seq利用了广泛认可的新一代DNA测序方法实现了对哺乳动物基因组所有5-hmC的精确定位。该研究清楚地表明获得关于这一了解甚少的表观遗传学调控因子的有用信息需要以碱基水平的精确度来测定5hmC的确切位置。我希望他们的新方法即将获得广泛应用。”

另外两个研究团队，来自加州大学圣地亚哥分校路德维希癌症研究所的任兵（Bing Ren，生物通音译）实验室将TAB-Seq应用到了人类胚胎干细胞，而埃默里大学的金鹏（Peng Jin，生物通音译）研究小组则将这一方法应用到了小鼠胚胎干细胞中。

过去的研究显示5-hmC存在于开启的基因上。现在，增高的分辨率和随后对于小鼠和人类胚胎干细胞的研究揭示相比于基因其他被读取为RNA的部分，5-hmC最常存在于调控基因活性的增强子上。

“利用这种新技术我们知道了这种修饰在基因组中称为增强子的区域最为丰富。hmC的这种潜在的调控作用或可解释其在胚胎干细胞中的重要性，以及为何它的破坏有可能导致白血病发生，”任兵实验室博士后研究人员Gary Hon说。Gary Hon负责对人类胚胎干细胞中的5hmC进行了全基因组分析。

与5-mC的另一个区别是5-hmC通常只存在于DNA的一侧。与之相反，5-mC通常呈对称分布。总体上说，5-hmC的丰度相比5-mC要少大约14倍。研究小组利用这项新技术发现甚至在5-hmC最为丰富的位点，仍然只有5-mC频率的五分之一。

此前的研究发现5-hmC在脑细胞中的丰度相比于干细胞中要多10倍，因此它有可能在脑细胞中发挥了尤其重要的作用。金鹏实验室利用这项新技术在发育大脑中精确绘制了5-hmC。

“要真正看到5-hmC可能具有的各种功能，我们还需要在诸如大脑发育等过程中观测它是如何随着时间推移出现和消失的。新技术将使我们和其他研究人员能够深入，并以高分辨率获得这些信息，”埃默里大学人类遗传学副教授金鹏说。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Base-Resolution Analysis of 5-Hydroxymethylcytosine in the Mammalian Genome

The study of 5-hydroxylmethylcytosines (5hmC) has been hampered by the lack of a method to map it at single-base resolution on a genome-wide scale. Affinity purification-based methods cannot precisely locate 5hmC nor accurately determine its relative abundance at each modified site. We here present a genome-wide approach, Tet-assisted bisulfite sequencing (TAB-Seq), that when combined with traditional bisulfite sequencing can be used for mapping 5hmC at base resolution and quantifying the relative abundance of 5hmC as well as 5mC. Application of this method to embryonic stem cells not only confirms widespread distribution of 5hmC in the mammalian genome but also reveals sequence bias and strand asymmetry at 5hmC sites. We observe high levels of 5hmC and reciprocally low levels of 5mC near but not on transcription factor-binding sites. Additionally, the relative abundance of 5hmC varies significantly among distinct functional sequence elements, suggesting different mechanisms for 5hmC deposition and maintenance.