Het ontdekken van DNA-methylatie van bacteriën en microbioom met behulp van nanopore-technologie

Naam tijdschrift: Natuurmethoden

Titel van het artikel: Ontdekken van meerdere soorten DNA-methylatie van individuele bacteriën en microbioom met behulp van nanopore-sequencing

Corresponderende auteur: bende hoektand, PhD

Kort gezegd:

• Bacteriële DNA-methylatie vindt plaats in verschillende sequentiecontexten en speelt een belangrijke functionele rol bij cellulaire verdediging en genregulatie. Een toenemend aantal onderzoeken heeft gemeld dat bacteriële DNA-methylatie een belangrijke rol speelt bij het beïnvloeden van klinisch relevante fenotypes zoals virulentie, gastheer kolonisatie, sporulatie, biofilm vorming, onder andere.
• Bacteriële methylomen bevatten drie primaire vormen van DNA-methylering:N6-methyladenine (6 mA), N4-methylcytosine (4mC) en 5-methylcytosine (5mC). De veelgebruikte bisulfietsequencing voor het in kaart brengen van DNA-methylatie in het genoom van zoogdieren is niet effectief bij het oplossen van bacteriële methylomen. Single molecule real-time (SMRT) kan 6mA- en 4mC-gebeurtenissen effectief in kaart brengen, en hebben de studie van>4, 000 bacteriële methylomen in de afgelopen tien jaar. Echter, SMRT-sequencing kan 5mC-methylatie niet effectief detecteren.

Resultaten: In dit werk, we hebben een nieuwe methode ontwikkeld die nanopore-sequencing mogelijk maakt voor breed toepasbare methylatie-ontdekking. We hebben het toegepast op individuele bacteriën en het darmmicrobioom voor betrouwbare ontdekking van methylatie. In aanvulling, we demonstreerden het gebruik van DNA-methylatie voor microbioomanalyse met hoge resolutie, het in kaart brengen van mobiele genetische elementen met hun gastheergenomen rechtstreeks uit microbioommonsters.

Waarom het onderzoek interessant is:

• Om te vechten met bacteriële ziekteverwekkers. Antibioticaresistentie vormt een groot risico voor de volksgezondheid. Om het beste te vechten met bacteriële pathogenen, het is belangrijk om nieuwe doelwitten voor geneesmiddelen te ontdekken. Toenemend bewijs suggereert dat bacteriële DNA-methylatie een belangrijke rol speelt bij het reguleren van bacteriële fysiologie zoals virulentie, sporulatie, biofilm vorming, interactie tussen pathogeen en gastheer enz. De nieuwe methode in dit werk stelt onderzoekers in staat om nieuwe DNA-methylatie van bacteriële pathogenen effectiever te ontdekken, nieuwe mogelijkheden openen om nieuwe doelen te ontdekken om nieuwe remmers te ontwerpen.
• Om het microbioom beter te begrijpen. Ondanks de groeiende waardering voor de rol van het microbioom in de menselijke gezondheid, uitgebreide karakterisering van microbiomen blijft moeilijk. Om de therapeutische kracht van het microbioom effectief te benutten, het is belangrijk om de specifieke bacteriesoorten en specifieke stammen in het menselijk microbioom te begrijpen. Onze nieuwe methode combineert de kracht van long read sequencing en bacteriële DNA-methylatie om complexe microbioommonsters op te lossen in individuele soorten en stammen. Dus, het zal ook de karakterisering van het menselijk microbioom met hogere resolutie mogelijk maken voor medische toepassingen.
• De kracht van op methylatie gebaseerde mapping van mobiele genetische elementen (vaak coderend voor antibioticaresistentiegenen) naar hun gastheergenomen helpt ook bij het volgen van de overdracht van antibioticaresistentiegenen.

Hoe: Door drie soorten DNA-methylatie in een grote diversiteit aan sequentiecontexten te onderzoeken, we hebben waargenomen dat het nanopore-sequencingsignaal complexe heterogeniteit vertoont over methyleringsgebeurtenissen van hetzelfde type. Om deze complexiteit vast te leggen en nanopore-sequencing mogelijk te maken voor breed toepasbare methylatie-ontdekking, we hebben een trainingsdataset gegenereerd uit een assortiment van bacteriesoorten en een nieuwe methode ontwikkeld die de identificatie en fijne mapping van de drie vormen van DNA-methylatie koppelt aan een classificatieontwerp met meerdere labels.

We evalueerden de methode en pasten deze vervolgens toe op individuele bacteriën en het darmmicrobioom van muizen voor een betrouwbare ontdekking van methylatie. In aanvulling, we hebben in de microbioomanalyse het gebruik van DNA-methylatie aangetoond voor het binning van metagenomische contigs, het associëren van mobiele genetische elementen met hun gastheergenomen, en voor de eerste keer het identificeren van verkeerd samengestelde metagenomische contigs.

Zei de Gang Fang van de berg Sinaï over het werk:

• DNA-methylering speelt een belangrijke rol in het menselijk genoom, en wordt veel bestudeerd op het gebied van gezondheid en verschillende ziekten. DNA-methylering komt ook veel voor in bacteriën, maar ons huidige begrip bevindt zich nog in een relatief vroeg stadium.
• Een toenemend aantal onderzoeken heeft gemeld dat bacteriële DNA-methylatie een belangrijke rol speelt bij het reguleren van medisch relevante fenotypes van pathogene bacteriën, zoals virulentie, biofilmvorming, virulentie, sporulatie, onder andere.
• Bredere en diepere studie van bacteriële DNA-methylatie vereist betrouwbare technologieën, en onze nieuwe methode vult een belangrijke leemte in dat het nu het gebruik van Nanopore-sequencing mogelijk maakt om nieuwe ontdekkingen van bacteriële genomen te doen.
• Deze nieuwe methode is breed toepasbaar voor het ontdekken van verschillende vormen van DNA-methylering van bacteriën, assisteren bij functionele studies van epigenetische regulatie in bacteriën, en het benutten van bacteriële epigenomen voor effectievere metagenomische analyses.

• Verwoestende leverziekte jeuk blijkt een verrassende oorzaak te hebben
• Studie effent de weg voor effectieve monitoring van chemotherapeutisch medicijnniveau bij kankerpatiënten