宾夕法尼亚大学的科学家近日开发出一种新方法来绘制5-甲基胞嘧啶（5mC），这是哺乳动物基因组中最重要的DNA修饰。它可以调控基因表达，在健康和疾病中起着关键作用。这项成果于6月15日发表在《Nature Chemical Biology》杂志上。

这种名为直接甲基化测序（DM-seq）的新技术让研究人员能够使用极少量的样本来绘制DNA图谱，而不会对样本造成损伤，这意味着它有望应用于液体活检和早期癌症检测。与其他方法不同，它还可以清晰地识别5mC，而不会与其他修饰相混淆。

除了DNA的主要碱基（ATGC）外，DNA修饰还附加了另一层的信息，控制着特定细胞类型中基因的“开启”或“关闭”。5mC被认为是这些修饰中最重要的一种，因为它是所有哺乳动物中最常见的DNA修饰类型，并以沉默某些基因而闻名。

宾夕法尼亚大学医学院生物化学和生物物理学副教授、资深作者Rahul Kohli博士表示：“5mC可以作为细胞身份的指纹，因此对科学家来说，有能力分离出5mC，并且只有5mC，这是非常重要的。”

“DM-Seq使用两种酶来绘制5mC图谱，可以应用于稀少的DNA样本，这意味着它可以用于血液检测，比如说寻找从肿瘤或其他病变组织释放到血液中的DNA。”这项研究由Kohli实验室中的博士研究生Tong Wang领导。

像5mC这样的DNA修饰可以作为可逆的表观遗传调节器，改变DNA的读取方式。胞嘧啶C上第5位碳原子发生甲基化，即形成5mC。在哺乳动物细胞中，5mC往往存在于DNA双螺旋中鸟嘌呤G的上游，即所谓的CpG位点。这种修饰的存在可以通过直接和间接的机制阻碍附近DNA的表达。

因5mC存在而失活的DNA包括蛋白质编码基因，这些基因的活性在特定阶段的特定细胞类型中可能是不必要的。当然，5mC的异常缺失或过量会导致基因表达异常，从而导致癌症等疾病。5mC的某些异常模式被认为是一些癌症的特征，这强调了准确并特异地绘制5mC的重要性。

在绘制5mC时，人们大多采用化学物质或酶，它们以不同方式与5mC和未修饰的胞嘧啶反应，从而将两者区分开来。不过，传统的亚硫酸氢盐测序（BS-Seq）方法会对DNA造成明显的损伤，并且无法区分5mC和5hmC（5-羟甲基胞嘧啶），后者是另一种重要的甲基化类型。近期开发的方法也有不足之处，包括需要使用相对大量的DNA。

DM-Seq方法使用了两种可以修饰DNA的酶，一种是经过设计的DNA甲基转移酶，另一种是DNA脱氨酶，这两者结合使用，可以直接并特异性地检测5mC。它足够灵敏，可以用纳克级的DNA进行检测，这使得它特别适合于液体活检等应用。

研究人员对胶质母细胞瘤的大脑肿瘤样本上进行了DM-Seq，并证明与传统的BS-Seq相比，DM-Seq能够更好地区分基因组关键位点上的5mC和5hmC，并且可以通过甲基化水平来预测患者的结局。

研究人员还将DM-Seq与另一种新兴的5mc测序技术TAPS进行了比较。结果表明，后者有一个以前未被发现的缺点，降低了其5mC检测的灵敏度。

Kohli表示：“这些发现强调，与传统的测序方法相比，DM-Seq对5mC的直接检测能够更好地推动表观遗传测序在癌症治疗中的应用。”

原文检索

Wang, T., Fowler, J.M., Liu, L. et al. Direct enzymatic sequencing of 5-methylcytosine at single-base resolution. Nat Chem Biol (2023). https://doi.org/10.1038/s41589-023-01318-1