Метод нанопорового секвенирования для изучения метилирования ДНК бактерий и микробиома
Метилирование бактериальной ДНК существует в различных последовательностных контекстах и играет важную роль в защите клетки и регуляции генов. Растущее число исследований показывает, что оно влияет на клинически значимые фенотипы, такие как вирулентность, колонизация хозяина, споруляция и образование биопленок.
Бактериальные метиломики содержат три основные формы метилирования ДНК:
- N6-метиладенин (6mA)
- N4-метилцитозин (4mC)
- 5-метилцитозин (5mC)
Стандартный метод бисульфитного секвенирования, используемый для картографирования метилирования в геномах млекопитающих, неэффективен для бактерий. Секвенирование в реальном времени одной молекулы (SMRT) может эффективно детектировать 6mA и 4mC и за последние десять лет позволило изучить >4000 бактериальных метиломиков. Однако SMRT не может эффективно обнаруживать метилирование 5mC.
В новом исследовании ученые разработали метод, который позволяет использовать нанопоровое секвенирование для широкого обнаружения метилирования, и применили его к отдельным бактериям в микробиоме кишечника. Они также продемонстрировали использование метилирования ДНК для:
- Высокоразрешающего анализа микробиома.
- Прямого картирования мобильных генетических элементов с геномами их хозяев из образцов микробиома.
Значение метода:
- Борьба с устойчивостью к антибиотикам: Метод позволяет эффективнее обнаруживать новое метилирование ДНК у патогенных бактерий, открывая возможности для поиска мишеней для новых ингибиторов.
- Анализ микробиома: Метод сочетает возможности длинного прочтения и бактериального метилирования ДНК для разделения сложных образцов микробиома на отдельные виды и штаммы, что важно для медицинского применения.
- Отслеживание устойчивости: Картирование мобильных генетических элементов (часто несущих гены устойчивости к антибиотикам) к геномам хозяев помогает отслеживать передачу этих генов.
Суть метода:
Наблюдая сложную неоднородность сигнала нанопорового секвенирования для трех типов метилирования в разнообразных контекстах, исследователи создали обучающий набор данных из набора бактериальных видов. Они разработали новый метод, который объединяет идентификацию и точное картирование трех форм метилирования ДНК в дизайн многоклассовой классификации. Метод был протестирован и применен к отдельным бактериям и микробиому кишечника мыши.
В анализе микробиома метод впервые позволил использовать метилирование ДНК для:
- Биннинга метагеномных контигов.
- Ассоциации мобильных генетических элементов с геномами хозяев.
- Выявления ошибочно собранных метагеномных контигов.
Цитата: Ган Фан из Маунт Синай: «Метилирование ДНК широко распространено у бактерий, но наше текущее понимание все еще находится на относительно ранней стадии... Этот новый метод заполняет важный пробел».
Вывод: Новый метод имеет широкую полезность для обнаружения различных форм метилирования ДНК у бактерий, помощи в функциональных исследованиях эпигенетической регуляции и использования бактериальных эпигеномов для более эффективного метагеномного анализа.
Исследование опубликовано в Nature Methods.