Entdeckung der DNA-Methylierung aus Bakterien und Mikrobiom mithilfe der Nanoporen-Technologie

Zeitschriftenname: Naturmethoden

Titel des Artikels: Entdeckung mehrerer Arten der DNA-Methylierung aus einzelnen Bakterien und Mikrobiomen mithilfe von Nanoporen-Sequenzierung

Korrespondierender Autor: Gang Fang, PhD

Endeffekt:

• Bakterielle DNA-Methylierung tritt in verschiedenen Sequenzkontexten auf und spielt wichtige funktionelle Rollen bei der zellulären Abwehr und Genregulation. Eine zunehmende Zahl von Studien berichtet, dass bakterielle DNA-Methylierung eine wichtige Rolle spielt, die klinisch relevante Phänotypen wie Virulenz, Wirtskolonisation, Sporulation, Biofilmbildung, unter anderen.
• Bakterielle Methylome enthalten drei primäre Formen der DNA-Methylierung:N6-Methyladenin (6 mA), N4-Methylcytosin (4mC) und 5-Methylcytosin (5mC). Die weit verbreitete Bisulfit-Sequenzierung für die DNA-Methylierungskartierung in Säugetiergenomen ist bei der Auflösung bakterieller Methylome nicht wirksam. Einzelmolekül-Echtzeit (SMRT) kann 6mA- und 4mC-Ereignisse effektiv abbilden, und haben das Studium von>4 ermächtigt, 000 bakterielle Methylome in den letzten zehn Jahren. Jedoch, Die SMRT-Sequenzierung kann eine 5-mC-Methylierung nicht effektiv nachweisen.

Ergebnisse: In dieser Arbeit, haben wir eine neue Methode entwickelt, die die Nanoporensequenzierung für eine breit anwendbare Methylierungsentdeckung ermöglicht. Wir haben es auf einzelne Bakterien und das Darmmikrobiom angewendet, um die Methylierung zuverlässig zu entdecken. Zusätzlich, wir demonstrierten die Verwendung der DNA-Methylierung für die hochauflösende Mikrobiomanalyse, Kartierung mobiler genetischer Elemente mit ihren Wirtsgenomen direkt aus Mikrobiomproben.

Warum die Forschung interessant ist:

• Im Kampf gegen bakterielle Krankheitserreger. Antibiotikaresistenzen stellen ein großes Risiko für die öffentliche Gesundheit dar. Um den besten Kampf gegen bakterielle Krankheitserreger zu führen, Es ist wichtig, neue Wirkstoff-Targets zu entdecken. Immer mehr Hinweise deuten darauf hin, dass bakterielle DNA-Methylierung eine wichtige Rolle bei der Regulierung der bakteriellen Physiologie wie Virulenz, Sporulation, Biofilmbildung, Pathogen-Wirt-Interaktion usw. Die neue Methode in dieser Arbeit ermöglicht es Forschern, neuartige DNA-Methylierungen von bakteriellen Pathogenen effektiver zu entdecken, eröffnet neue Möglichkeiten zur Entdeckung neuer Angriffspunkte, um neue Inhibitoren zu entwickeln.
• Mikrobiom besser zu verstehen. Trotz wachsender Anerkennung der Rolle des Mikrobioms für die menschliche Gesundheit Eine umfassende Charakterisierung von Mikrobiomen bleibt schwierig. Um die therapeutische Kraft des Mikrobioms effektiv zu nutzen, Es ist wichtig, die spezifischen Bakterienarten und bestimmten Stämme im menschlichen Mikrobiom zu verstehen. Unsere neue Methode kombiniert die Leistungsfähigkeit von Long-Read-Sequenzierung und bakterieller DNA-Methylierung, um komplexe Mikrobiomproben in einzelne Spezies und Stämme aufzulösen. So, es wird auch die Charakterisierung des menschlichen Mikrobioms mit höherer Auflösung für medizinische Anwendungen ermöglichen.
• Die Leistungsfähigkeit der methylierungsbasierten Kartierung mobiler genetischer Elemente (die oft Antibiotikaresistenzgene kodieren) auf ihre Wirtsgenome hilft auch, die Übertragung von Antibiotikaresistenzgenen zu verfolgen.

Wie: Durch die Untersuchung von drei Arten der DNA-Methylierung in einer großen Vielfalt von Sequenzkontexten, wir beobachteten, dass das Nanoporen-Sequenzierungssignal eine komplexe Heterogenität über Methylierungsereignisse des gleichen Typs hinweg zeigt. Um diese Komplexität zu erfassen und die Nanoporen-Sequenzierung für eine breit anwendbare Entdeckung von Methylierungen zu ermöglichen, Wir generierten einen Trainingsdatensatz aus einer Reihe von Bakterienarten und entwickelten eine neuartige Methode, die die Identifizierung und Feinkartierung der drei Formen der DNA-Methylierung in ein Multi-Label-Klassifikationsdesign koppelt.

Wir haben die Methode evaluiert und dann auf einzelne Bakterien und das Darmmikrobiom von Mäusen angewendet, um eine zuverlässige Methylierung zu entdecken. Zusätzlich, wir haben in der Mikrobiomanalyse die Verwendung der DNA-Methylierung zum Binning metagenomischer Contigs gezeigt, Assoziieren mobiler genetischer Elemente mit ihren Wirtsgenomen, und zum ersten Mal, Identifizierung falsch zusammengesetzter metagenomischer Contigs.

Sagte der Gang Fang vom Berg Sinai über die Arbeit:

• DNA-Methylierung spielt eine wichtige Rolle im menschlichen Genom, und wird in der Gesundheit und verschiedenen Krankheiten weithin untersucht. DNA-Methylierung ist auch bei Bakterien weit verbreitet, aber unser derzeitiges Verständnis befindet sich noch in einem relativ frühen Stadium.
• Eine zunehmende Zahl von Studien berichtet, dass bakterielle DNA-Methylierung eine wichtige Rolle bei der Regulierung medizinisch relevanter Phänotypen pathogener Bakterien spielt. wie Virulenz, Biofilmbildung, Virulenz, Sporulation, unter anderen.
• Eine breitere und tiefere Untersuchung der bakteriellen DNA-Methylierung erfordert zuverlässige Technologien. und unsere neue Methode schließt eine wichtige Lücke, indem sie nun die Nanopore-Sequenzierung ermöglicht, um neue Entdeckungen aus bakteriellen Genomen zu machen.
• Diese neuartige Methode hat einen breiten Nutzen, um verschiedene Formen der DNA-Methylierung von Bakterien zu entdecken. Unterstützung bei funktionellen Studien der epigenetischen Regulation in Bakterien, und die Nutzung bakterieller Epigenome für effektivere metagenomische Analysen.

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