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新方法可无损破译基因表观遗传密码

时间:2020-01-06

打破数十年局限 利用脱氨酶测序

美国宾夕法尼亚大学研究人员开发出一种破译DNA表观遗传密码的新方法,利用DNA脱氨酶进行基因测序。他们10月8日在《自然·生物技术》杂志上发表论文称,新测序方法克服了沿用数十年的亚硫酸氢盐测序法的局限,将有助于更深入理解肿瘤生成等复杂生物过程。

核心提示:尽管从理论上来说,全基因组亚硫酸氢盐测序能让研究人员全面观察甲基化组,但它还是面临技术以及费用上的问题。测序覆盖通常对GC含量非常高和非常低的区域有偏见,即使是在20-40倍覆盖度,全基因组亚硫酸氢盐测序仍不能检测出低密度CpG岛的某些甲基化差异。对于此,Broad研究院的Christoph Bock认为,尽管更深度测序是解决方案,但费用是主要问题。生技网资讯: DNA甲基化在哺乳动物基因表达中扮演了重要角色。尽管通过线粒体遗传且随时间稳定,但是细胞分化、疾病或环境影响都会改变DNA甲基化的模式。近年来,科学家们开发出多种新方法,试图在基因组范围定位DNA甲基化。 尽管从理论上来说,全基因组亚硫酸氢盐测序能让研究人员全面观察甲基化组,但它还是面临技术以及费用上的问题。测序覆盖通常对GC含量非常高和非常低的区域有偏见,即使是在20-40倍覆盖度,全基因组亚硫酸氢盐测序仍不能检测出低密度CpG岛的某些甲基化差异。对于此,Broad研究院的Christoph Bock认为,尽管更深度测序是解决方案,但费用是主要问题。在全基因组亚硫酸氢盐测序变得更实惠之前,研究人员只能采取代表性较低的亚硫酸氢盐测序,来选择性扫描甲基化组。 有些研究人员采用甲基化DNA免疫沉淀或通过亲和纯化的甲基化DNA捕获(MethylCap),再加上测序,来研究感兴趣的甲基化区域。Bock及其同事去年10月在《Nature Biotechnology》上发表了一篇文章,比较了这几种方法。 根据他们的分析,研究小组发现每种方法都各有优缺点。他们认为,MethylCap-seq比MeDIP-seq更好,不过差异不大,而且也可以优化MeDIP-seq,让它表现更佳。就亚硫酸氢盐测序和MethylCap-seq而言,Bock认为后者在基因组覆盖度上表现更佳,但对实验偏差也更为敏感。 至于选择哪一种方法,Bock认为这在很大程度上取决于样品和生物问题。当实验室开展少量或中等数量样品的DNA甲基化图谱分析时,若DNA量充足,且样品间质量相似,那么MethylCap可能提供最佳的基因组覆盖度,特别是当预计的DNA甲基化差异相对大时。 然而,如果以上条件不满足,那么亚硫酸氢盐测序将是更好的选择,它对实验偏差没那么敏感,比如批次影响、实验室间的差异或DNA质量不同所引入的差异。 总的来说,他们检测的这些方法都很有用,但无一是全面的,能够鉴定出样品中存在的所有DNA甲基化差异。它们一般能更好地鉴定出富含CpG区域的甲基化差异,而不是CpG较少区域。 对于有些疾病样本,珍贵且稀有,无法用于常规的分析。于是,一些新方法也不断涌现而出。 华盛顿大学的Rob Mitra着眼于复杂组织的甲基化分析。他正在开发一种名为MethylMap的方法,将多重扩增、条形码和单分子亚硫酸氢盐测序融合起来,对激光捕获显微切割的样品进行分析。 利用MethylMap,Mitra的小组计划对多种癌症患者的肿瘤样本及周围组织进行鉴定。他表示,开发这项技术主要是为了了解甲基化在肿瘤发展中的作用。他相信MethylMap有望应用于临床,这种分析少量细胞中全基因组范围甲基化的能力还可能鉴定出疾病的生物标志物。 无独有偶,康奈尔大学的Paul Soloway也致力于小规模的表观遗传学变化分析。他正在开发一种基于纳米流体学的技术,有望检测出单分子水平的甲基化差异。此技术名为SCAN,意为纳米规模的单染色体分析。 据Soloway介绍,从原理上来看,它类似于流式细胞仪。流式细胞仪是处理整个细胞,而SCAN是处理染色体片段。当然,前者是利用细胞表面标志物的抗体,而后者是利用组蛋白和组蛋白变异体的抗体以及识别甲基化DNA的蛋白。 利用SCAN,研究人员通过电压梯度驱动单个标记分子在纳米通道中流动,当分子穿过某一点时,利用激光诱导的荧光共聚焦显微镜进行成像。由于他们要观察的是单个分子,而不是单个细胞,所以他们需要的灵敏度也要比细胞分选要高得多。 尽管还需要优化,但Soloway认为SCAN方法具有一些独特的优势。首先,你能同时询问一个样品中的多个表观遗传学标志,而不是重新开展免疫沉淀实验,来验证两个或更多独立的表观遗传学标志。第二个优势是它需要的样本量极少。 Soloway表示,他们正在优化SCAN平台的通量,并不断改造,希望最终能运行多个平行的纳米流体通道。研究小组还希望在SCAN平台上增加分选功能,像流式细胞仪一样,具有分析和制备两种功能。关键字:DNA,SCAN,流式细胞仪

新方法可无损破译基因表观遗传密码

表观遗传指的是在基因核苷酸序列不发生改变的情况下,基因表达的可遗传变化。对于表观遗传密码的分析,有助于更好地理解和诊断包括癌症在内的一系列疾病,因而成为医学研究的一个重要方向。

科技日报华盛顿10月8日电 美国宾夕法尼亚大学研究人员开发出一种破译DNA表观遗传密码的新方法,利用DNA脱氨酶进行基因测序。他们8日在《自然·生物技术》杂志上发表论文称,新测序方法克服了沿用数十年的亚硫酸氢盐测序法的局限,将有助于更深入理解肿瘤生成等复杂生物过程。

在过去几十年里,用来破译表观遗传密码的主要方法依赖于一种叫做亚硫酸氢盐的化学物质。但以此种物质为基础的测序方法虽然有用,却也有不少局限,其中最重要一点是,亚硫酸氢盐会破坏它接触到的大部分DNA,经其修饰后能够留下的测序材料会很少。

图片 1资料图:8月2日,香港科技大学举行记者会公布,该校与北京大学合作,首次测定具原子解像度的DNA复制机器三维结构。此项研究为设计和筛选抗癌药物提供不同角度与方向,已于7月初在权威科学期刊《自然》发表。图为相关研究的结构模型。中新社记者 麦尚旻 摄

此次,宾夕法尼亚大学开发的新方法则有效克服了上述局限。研究人员引入了一种被称为载脂蛋白信使RNA编辑酶催化多肽的脱氨酶,这种DNA脱氨酶可以有效区分胞嘧啶修饰状态,其所能达到的效果与使用亚硫酸氢盐相似,但不会损伤DNA。

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