Nature Genetics:全基因组测序领域的开拓性进展

【字体: 时间:2017年05月11日 来源:生物通

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  作者通过PacBio单分子测序对几种真菌测序直接读取的数据中意外发现有的真菌高达2.8%比例的腺嘌呤存在甲基化,6mA簇密集出现在表达基因的转录起始位点周围,6mA与5mC以截然相反的方式调节真菌基因表达,提示6mA在真核生物中基因表达相关表观遗传标记可能有独特作用,以及第三代测序在测序中直接发现甲基化修饰上的优势。

  

早期分化系真菌,Linderina pennispora

生物通报道:

当我们提到DNA的甲基化,通常更关注的是胞嘧啶(C)碳环上5号碳原子的甲基化,5-甲基胞嘧啶(5mC)。实际上,在原核生物中存在着3种DNA甲基化型式,5mC、4mC(4-甲基胞嘧啶)和6mA(6-甲基腺嘌呤),6mA起主导作用,缺乏6mA可导致一些细菌的死亡。科学家们曾经以为具有重要生理功能的DNA 6mA修饰在生命的进化过程中,不可思议地从高等生物基因组中消失了。Nature重大发现改写表观遗传理论

科学界仅在低等单细胞真核生物、植物和动物基因组内检测到低水平的6mA,有关6mA与真核生物基因组功能的研究基本还是一片空白。

5月8日《Nature Genetics》刊登了一篇有关SMRT技术在6mA表观遗传学功能分析方面的最新进展。采用PacBio单分子测序对16种不同真菌基因组进行的测序,研究人员意外地观察到在某些真菌的基因组中,高达2.8%的腺嘌呤发生了甲基化,远远超过其他真核生物和衍生真菌中观察到的水平。6mA对称地出现在ApT,并且在表达基因的转录起始位点周围出现密集的甲基化腺嘌呤簇;其分布与5mC的分布呈负相关,这提示了6mA作为真核生物中基因表达相关表观遗传标记的独特作用,也提示第三代测序在研究甲基化信息上比二代测序更具优势。由于这种单分子测序无需扩增,能够根据读取信号的延迟(通俗的解释是由于甲基化修饰造成的空间阻碍)在测序的同时额外直接获取更真实全面的甲基化修饰信息,不需要重亚硫酸盐处理,将为表观遗传研究带来更丰富的信息,值得留意。 索取Pacific Biosciences测序技术的详细技术资料,请填写表格

大部分已被人类研究过的真菌只属于两个门:子囊菌门(Ascomycota)和担子菌门(Basidiomycota)。其他6个种群被归类为“早期分化系(early diverging lineages)”,它们是真菌家族里最早的分支。

“总的来说,与其他真菌成员相比,人们对早期分化系的了解相对贫乏”本文的一作DOE JGI分析师Stephen Mondo说。

美国能源合作基因组研究部(DOE JGI)的大规模的测序结果显示,6mA修饰普遍存在于早期真菌种属。研究人员采用PacBio单分子长片段测序平台(型号:PacBio SMRT Analysis 2.3.0)对16种不同真菌进行基因组测序时,观察到在早期分化的真菌基因组中,高达2.8%的腺嘌呤发生了甲基化,远高于有报道的其他真核生物的6mA比例(此前6mA修饰记录的保持者是一种水藻,仅有0.4%的腺嘌呤含有甲基化标签)。

之前的研究发现真菌5mC一般对称地出现在反义DNA链的回文CpG岛(胞嘧啶-鸟嘌呤二核苷酸密集区域)。本研究发现,早期分化系真菌的6mA是以对称的方式,出现在ApT(腺嘌呤-胸腺嘧啶)富集区。6mA在两股DNA链上保持同步出现,可能是为了细胞分裂中的甲基化传递。

在双核菌亚界真菌的基因组中并未发现6mA的这种分布规律,而是散乱的非簇排列。相反,早期分化系真菌的6mA标记有80-99.6%都出现在 “甲基腺嘌呤集群(methylated adenine clusters, MACs)”。

研究团队发现,5mC和6mA还存在着负相关性。具体来说,当5mC出现在基因组的重复区域时,MACs便会出现在启动子上。这暗示了作为真核生物中基因表达相关的表观遗传标记,6mA可能具有独特的作用。

“这次的研究是我们首次在真核生物基因组内直接对5mC和6mA进行比较分析,并且也是首个真菌6mA分析研究,”本文通讯作者、DOE JGI真菌基因组研究学术带头人Igor Grigoriev说。“在有机体内6mA的功能十分多样,在动物中它参与转座子活性的抑制作用,在藻类中它促进基因的表达。我们的分析表明,6mA与基因表达相关,并且甲基标签根据基因功能选择性地沉淀于功能和节能相关的基因上,这表示6mA是重要功能相关基因的生物标签。”

使用Pacific Biosciences测序平台,研究小组高质地完成了基因组组装,并利用该测序平台额外挖掘了真菌的表观遗传学修饰。研究人员还使用免疫沉淀法(ChIP-seq和6mA IP-seq)和质谱分析法(LC-MS)等方法对比验证了SMRT-seq的新发现。

早期分支系真菌的表观遗传学检测结果显示,Illumina二代测序技术和质谱技术都与SMRT-seq达成一致。但是在6种双核菌亚界真菌中,尽管这些基因组内的6mA含量本身较低,SMRT-seq的检出率仍高于其他测序方法。原因有二,或是其他技术的灵敏度低于SMRT-seq,或是SMRT-seq技术的假阳性偏高。考虑到其他10种基因组测序结果的一致性,我们有理由相信,第三代测序减少了PCR扩增环节,逐个分子的覆盖式扫描将带给我们更高广的视野。
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原文标题:Widespread adenine N6-methylation of active genes in fungi

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