纳米孔技术在细菌和微生物群落中发现多类型DNA甲基化

西奈山伊坎医学院遗传学和基因组科学，Gang Fang副教授

细菌DNA甲基化发生在不同的序列环境中，在细胞防御和基因调控中起着重要的作用。越来越多的研究报道，细菌DNA甲基化对临床相关表型如毒力、宿主定植、产孢、生物膜形成等具有重要作用。

细菌甲基化包含三种主要形式的DNA甲基化:N6-甲基腺嘌呤(6mA)， N4-甲基胞嘧啶(4mC)和5-甲基胞嘧啶(5mC)。在哺乳动物基因组DNA甲基化定位中广泛使用的亚硫酸氢盐测序（bisulfite sequencing）并不能有效地分解细菌甲基化组。单分子实时(Single molecule real-time, SMRT)可以有效地绘制6mA和4mC事件，并在过去的十年中为>4000细菌甲基组的研究提供了有力的支持。然而，SMRT测序不能有效检测5mC甲基化。

结果: 在这项工作中，我们开发了一种新的方法，使纳米孔测序广泛适用的甲基化发现。我们将其应用于单个细菌和肠道微生物群，以获得可靠的甲基化发现。此外，我们还演示了DNA甲基化在高分辨率微生物组分析中的应用，从微生物组样本中直接绘制了移动遗传元素与宿主基因组的图谱。

为什么这项研究有趣:

•对抗细菌病原体抗生素耐药性对公众健康构成巨大威胁。为了更好地对抗细菌病原体，发现新的药物靶点是很重要的。越来越多的证据表明，细菌DNA甲基化在调节细菌的毒力、产孢、生物膜形成、病原与宿主相互作用等生理功能方面发挥着重要作用。这项工作的新方法使研究人员能够更有效地发现细菌病原体的新型DNA甲基化，为发现新的靶点设计新的抑制剂提供了新的机会。

•更好地了解微生物群。尽管越来越多的人认识到微生物组在人类健康中的作用，微生物组的全面特性仍然是困难的。为了有效地利用微生物组的治疗作用，了解人体微生物组中特定的细菌种类和菌株是非常重要的。我们的新方法结合了长读序列测序和细菌DNA甲基化的能力，将复杂的微生物组样本分解为单个物种和菌株。因此，它也将为医疗应用提供更高分辨率的人体微生物组表征。

•基于甲基化的移动遗传元素(通常为抗生素耐药性基因编码)映射到宿主基因组的能力，也有助于跟踪抗生素耐药性基因的传播。

方法:

•通过在大量多样性的序列环境中检查三种类型的DNA甲基化，我们观察到纳米孔测序信号在同一类型的甲基化事件中表现出复杂的异质性。为了捕捉这种复杂性并使纳米孔测序能够广泛应用于甲基化发现，我们从一种细菌种类的分类中生成了一个训练数据集，并开发了一种新方法，将三种DNA甲基化形式的识别和精细映射结合到一个多标签分类设计中。我们评估了该方法，然后将其应用于单个细菌和小鼠肠道微生物群，以获得可靠的甲基化发现。此外，我们在微生物组分析中证明了DNA甲基化用于存储宏基因组contigs，将移动遗传元素与其宿主基因组关联起来，并首次识别错误组装的宏基因组contigs。

Gang Fang说:DNA甲基化在人类基因组中起着重要的作用，在健康和各种疾病中得到了广泛的研究。DNA甲基化在细菌中也很普遍，但我们目前的认识仍处于相对早期的阶段。越来越多的研究报道，细菌DNA甲基化在调节致病细菌的医学相关表型方面发挥重要作用，如毒力、生物膜形成、毒力、产孢等。更广泛和更深入的细菌DNA甲基化研究需要可靠的技术，而我们的新方法填补了一个重要的空白，即现在可以使用纳米孔测序从细菌基因组中获得新发现。这种新方法在发现细菌不同形式的DNA甲基化、协助细菌表观遗传调控功能研究以及利用细菌表观基因组进行更有效的宏基因组分析等方面具有广泛的应用价值。