Геномная карта метилирования патогенной E. coli показала неожиданные результаты

Новый метод секвенирования ДНК позволил исследователям впервые картировать влиятельные химические модификации, известные как метильные метки, по всему геному патогенной бактерии. Сравнивая эти паттерны у родственных штаммов, они обнаружили, как вирусы, заражающие бактерии (бактериофаги), могут кардинально менять своего хозяина.

Исследование под руководством Мэтью К. Вальдора из Brigham and Women's Hospital в сотрудничестве с Эриком Шадтом из Mount Sinai School of Medicine было опубликовано 8 ноября 2012 года в журнале Nature Biotechnology.

Вальдор изучал штамм E. coli, ответственный за крупную вспышку заболевания в Германии в 2011 году. Он и его коллеги заметили, что определённые гены в патогенном штамме E. coli O104:H4 метилированы иначе, чем в менее вирулентных штаммах.

Помимо генетической последовательности, дополнительная информация кодируется в химических модификациях нуклеотидов ДНК. У бактерий модификация ДНК влияет на репликацию хромосомы, экспрессию генов и вирулентность, но полной картины её эффектов не хватало.

Расследуя изменённый паттерн метилирования, учёные обнаружили, что вирулентный штамм E. coli был заражён уникальным бактериофагом. Этот фаг привнёс в клетку белок, способный добавлять метильные группы к ДНК бактерии.

Чтобы проверить гипотезу о влиянии фаговой системы метилирования, команда Вальдора использовала относительно новую технику — одномолекулярное секвенирование в реальном времени (SMRT). В отличие от обычных методов, SMRT позволяет одновременно получать информацию о последовательности оснований и о кинетике их добавления. В 2010 году исследователи из Pacific Biosciences обнаружили, что химические модификации оснований меняют эту кинетику.

Группа Вальдора использовала SMRT-секвенирование для картирования паттернов метилирования всего генома E. coli O104:H4. Они нашли более 50 000 метилированных сайтов. Это первая демонстрация применения данной техники на общегеномном уровне с разрешением на один нуклеотид.

Учёные показали, что изучаемый штамм E. coli имеет одиннадцать ферментов, контролирующих метилирование. Семь из этих метилтрансфераз ранее не были изучены. Особое внимание уделили метилтрансферазе, которую бактериофаг передал E. coli O104:H4.

Инфицирование этим фагом привело не только к добавлению тысяч сайтов метилирования, но и к изменению паттернов экспрессии более чем у трети генов бактерии. Наличие вирусной метилтрансферазы повлияло на скорость роста бактерий, но не на их общую вирулентность.

Дальнейшее изучение ключевых метильных групп поможет понять роль метилирования в жизненных циклах бактерий, их инфекционности и, возможно, устойчивости к лекарствам. Метод SMRT теперь можно применять к другим штаммам и типам бактерий. Пока он работает только на бактериях, но Вальдор ожидает, что это быстро изменится.

«Это как получить новый микроскоп, который видит прежде невидимое. Это позволит провести новое поколение исследований значимости модификации ДНК в царстве бактерий и, как мы думаем, в недалёком будущем — во всех царствах жизни», — говорит Вальдор.