Роль метилирования ДНК в океанических микробных сообществах

Метилирование ДНК — это биологический процесс добавления метильных групп к ДНК. Прокариоты используют его как эпигенетическую стратегию для регуляции генов, репарации и защиты от вирусных атак с помощью систем рестрикции-модификации (RM), которые функционируют как прокариотическая иммунная система.

До недавнего времени изучение метилирования ДНК ограничивалось микроорганизмами, культивируемыми в лаборатории, что мешало понять его роль в микробной экологии. Поэтому важно проводить полногеномные эпигенетические исследования природных микробов, особенно некультивируемых.

Команда исследователей под руководством профессора Ву Джуна Сула из Университета Чунг-Анг и доктора Хун Дже Сона (ныне из Macrogen Inc.), Южная Корея, изучила различия в паттернах метилирования ДНК у разных членов микробных сообществ северо-западной части Тихого океана. Исследование опубликовано в Microbiome.

Методология и ключевые находки

В рамках масштабного проекта SHIPPO (Shipborne Pole-to-Pole Observations) в 2015 году были отобраны микроорганизмы из поверхностных вод океана на 10 станциях от северо-запада Тихого океана до Берингова моря.

После метагеномного секвенирования (с использованием коротких и длинных прочтений) и вычислительного анализа были собраны 15 056 вирусных (v), 252 прокариотных (pro), 56 гигантских вирусных (gv) и 6 эукариотных (eu) метагеномно-собранных геномов (MAGs).

  • Около 95% секвенированных прокариотных MAGs (proMAGs) принадлежали к новым таксонам, не классифицируемым по существующим базам данных.
  • Наиболее распространенным классом фермента ДНК-метилтрансферазы (MTase) в этих организмах был MTase II.
  • Большинство proMAGs не имели полных RM-систем из-за отсутствия рестриктаз.
  • Анализ метилированных мотивов выявил уникальные паттерны метилирования ДНК в океанском микробиоме, включая особый профиль у Alphaproteobacteria.
  • Секвенирование в реальном времени (SMRT) показало гетерогенность профиля метилирования у бактерии Pelagibacter даже на уровне штамма, что указывает на динамические клеточные процессы в поверхностных водах.
  • Сравнительный анализ бактериальных и вирусных геномов выявил неравномерные паттерны метилирования в геноме Cand. P. Giovannoni NP1, что предполагает потенциальные защитные механизмы этой бактерии.

Значение исследования

Эта работа открывает путь к новой эре мета-эпигеномики, позволяющей напрямую измерять метилирование у природных микробов. Изучение эпигенома множества организмов одновременно имеет широкие перспективы.

Как отмечает профессор Сул, помимо выявления паттернов метилирования у патогенных штаммов, такое исследование помогает находить мишени для предотвращения патогенности в окружающей среде. Это может иметь огромное значение для глобальных систем здравоохранения, позволяя обнаруживать угрожающие человеку патогенные сигналы.

2022-12-07