Opdager DNA -methylering fra bakterier og mikrobiom ved hjælp af nanopore -teknologi

Journalnavn: Naturmetoder

Titel på artiklen: Opdagelse af flere typer DNA -methylering fra individuelle bakterier og mikrobiomer ved hjælp af nanoporesekventering

Kontaktforfatter: Gang Fang, Ph.d.

Bundlinie:

• Bakteriel DNA -methylering forekommer i forskellige sekvenskontekster og spiller vigtige funktionelle roller i cellulært forsvar og genregulering. Et stigende antal undersøgelser har rapporteret, at bakteriel DNA -methylering har vigtige roller, der påvirker klinisk relevante fænotyper, såsom virulens, værtskolonisering, sporulation, dannelse af biofilm, blandt andre.
• Bakterielle methylomer indeholder tre primære former for DNA-methylering:N6-methyladenin (6 mA), N4-methylcytosin (4mC) og 5-methylcytosin (5mC). Den meget udbredte bisulfit -sekventering til DNA -methyleringskortlægning i pattedyrgener er ikke effektive til at løse bakterielle methylomer. Enkeltmolekyle i realtid (SMRT) kan effektivt kortlægge 6mA og 4mC begivenheder, og har bemyndiget undersøgelsen af> 4, 000 bakterielle methylomer i de sidste ti år. Imidlertid, SMRT -sekventering kan ikke effektivt påvise 5 mC methylering.

Resultater: I dette arbejde, vi udviklede en ny metode, der muliggør nanoporesekventering til bredt anvendelig methyleringsopdagelse. Vi anvendte det på individuelle bakterier og tarmmikrobiomet for pålidelig opdagelse af methylering. Ud over, vi demonstrerede brugen af ​​DNA -methylering til højopløselig mikrobiomanalyse, kortlægning af mobile genetiske elementer med deres værtsgenomer direkte fra mikrobiomprøver.

Hvorfor forskningen er interessant:

• At kæmpe med bakterielle patogener. Antibiotikaresistens udgør en stor risiko for folkesundheden. For bedst at kæmpe med bakterielle patogener, det er vigtigt at opdage nye lægemiddelmål. Stigende bevis tyder på, at bakteriel DNA -methylering spiller en vigtig rolle i reguleringen af ​​bakteriel fysiologi såsom virulens, sporulation, dannelse af biofilm, patogen-vært-interaktion osv. Den nye metode i dette arbejde giver forskere mulighed for mere effektivt at opdage ny DNA-methylering fra bakterielle patogener, åbner nye muligheder for at opdage nye mål for at designe nye hæmmere.
• For bedre at forstå mikrobiom. På trods af stigende påskønnelse af mikrobiomets rolle i menneskers sundhed, omfattende karakterisering af mikrobiomer er fortsat vanskelig. For effektivt at udnytte den terapeutiske kraft af mikrobiom, det er vigtigt at forstå de specifikke bakteriearter og bestemte stammer i humant mikrobiom. Vores nye metode kombinerer kraften i langlæst sekventering og bakteriel DNA -methylering til at løse komplekse mikrobiomprøver i individuelle arter og stammer. Så, det vil også give en højere opløsning karakterisering af humant mikrobiom til medicinske anvendelser.
• Kraften ved methyleringsbaseret kortlægning af mobile genetiske elementer (ofte kodende for antibiotikaresistensgener) til deres værtsgenomer hjælper også med at spore transmissionen af ​​antibiotikaresistensgener.

Hvordan: Ved at undersøge tre typer DNA -methylering i en stor mangfoldighed af sekvenskontekster, vi observerede, at nanopore -sekventeringssignal viser kompleks heterogenitet på tværs af methyleringshændelser af samme type. For at fange denne kompleksitet og muliggøre nanoporesekventering for bredt anvendelig methyleringsopdagelse, vi genererede et træningsdatasæt fra et sortiment af bakteriearter og udviklede en ny metode, der kobler identifikation og fin kortlægning af de tre former for DNA-methylering til et klassificeringsdesign med flere etiketter.

Vi evaluerede metoden og anvendte den derefter på individuelle bakterier og mikrobiom fra musetarm for pålidelig methylering. Ud over, vi demonstrerede i mikrobiomanalysen brugen af ​​DNA -methylering til sammenbinding af metagenomiske tilstande, at forbinde mobile genetiske elementer med deres værtsgenomer, og for første gang, identifikation af fejlmonterede metagenomiske tilstande.

Sagde Mount Sinais Gang Fang af værket:

• DNA -methylering spiller en vigtig rolle i det menneskelige genom, og er bredt undersøgt inden for sundhed og forskellige sygdomme. DNA -methylering er også udbredt i bakterier, men vores nuværende forståelse er stadig på et relativt tidligt stadium.
• Et stigende antal undersøgelser har rapporteret, at bakteriel DNA -methylering spiller en vigtig rolle i reguleringen af ​​medicinsk relevante fænotyper af patogene bakterier, såsom virulens, dannelse af biofilm, virulens, sporulation, blandt andre.
• Bredere og dybere undersøgelse af bakteriel DNA -methylering kræver pålidelige teknologier, og vores nye metode udfylder et vigtigt hul, idet den nu muliggør brug af Nanopore -sekventering til at gøre nye opdagelser fra bakterielle genomer.
• Denne nye metode har bred anvendelighed til at opdage forskellige former for DNA -methylering fra bakterier, bistå med funktionelle undersøgelser af epigenetisk regulering af bakterier, og udnyttelse af bakterielle epigenomer til mere effektive metagenomiske analyser.

• Ødelæggende leversygdom kløe viser sig at have en overraskende årsag
• Undersøgelse baner vej for effektiv overvågning af kemoterapeutisk lægemiddelniveau hos kræftpatienter