Alla scoperta della metilazione del DNA da batteri e microbioma utilizzando la tecnologia dei nanopori

Nome del giornale: Metodi della natura

Titolo dell'articolo: Scoperta di più tipi di metilazione del DNA da singoli batteri e microbioma utilizzando il sequenziamento dei nanopori

Autore corrispondente: Gang Zanna, dottorato di ricerca

Linea di fondo:

• La metilazione del DNA batterico avviene in diversi contesti di sequenza e svolge importanti ruoli funzionali nella difesa cellulare e nella regolazione genica. Un numero crescente di studi ha riportato che la metilazione del DNA batterico ha ruoli importanti che influenzano fenotipi clinicamente rilevanti come la virulenza, colonizzazione ospite, sporulazione, formazione di biofilm, tra gli altri.
• I metilomi batterici contengono tre forme primarie di metilazione del DNA:N6-metiladenina (6 mA), N4-metilcitosina (4mC) e 5-metilcitosina (5mC). Il sequenziamento del bisolfito ampiamente utilizzato per la mappatura della metilazione del DNA nei genomi dei mammiferi non è efficace nel risolvere i metilomi batterici. Singola molecola in tempo reale (SMRT) può mappare efficacemente eventi 6mA e 4mC, e hanno potenziato lo studio di>4, 000 metilomi batterici negli ultimi dieci anni. Però, Il sequenziamento SMRT non è in grado di rilevare efficacemente la metilazione di 5 mC.

Risultati: In questo lavoro, abbiamo sviluppato un nuovo metodo che consente il sequenziamento dei nanopori per la scoperta della metilazione ampiamente applicabile. Lo abbiamo applicato a singoli batteri e al microbioma intestinale per una scoperta affidabile della metilazione. Inoltre, abbiamo dimostrato l'uso della metilazione del DNA per l'analisi del microbioma ad alta risoluzione, mappatura di elementi genetici mobili con i loro genomi ospiti direttamente da campioni di microbioma.

Perché la ricerca è interessante:

• Per combattere i batteri patogeni. La resistenza agli antibiotici rappresenta un grave rischio per la salute pubblica. Per combattere al meglio con i batteri patogeni, è importante scoprire nuovi bersagli farmacologici. Prove crescenti suggeriscono che la metilazione del DNA batterico svolge ruoli importanti nella regolazione della fisiologia batterica come la virulenza, sporulazione, formazione di biofilm, interazione patogeno-ospite ecc. Il nuovo metodo in questo lavoro consente ai ricercatori di scoprire in modo più efficace la nuova metilazione del DNA da agenti patogeni batterici, aprendo nuove opportunità per scoprire nuovi bersagli per progettare nuovi inibitori.
• Per capire meglio il microbioma. Nonostante il crescente apprezzamento per il ruolo del microbioma nella salute umana, la caratterizzazione completa dei microbiomi rimane difficile. Per sfruttare efficacemente il potere terapeutico del microbioma, è importante comprendere le specie batteriche specifiche e i ceppi particolari nel microbioma umano. Il nostro nuovo metodo combina la potenza del sequenziamento a lettura lunga e la metilazione del DNA batterico per risolvere complessi campioni di microbioma in singole specie e ceppi. Così, consentirà inoltre una caratterizzazione a risoluzione più elevata del microbioma umano per applicazioni mediche.
• Il potere della mappatura basata sulla metilazione di elementi genetici mobili (spesso codificanti geni di resistenza agli antibiotici) nei loro genomi ospiti aiuta anche a tracciare la trasmissione dei geni di resistenza agli antibiotici.

Come: Esaminando tre tipi di metilazione del DNA in una grande diversità di contesti di sequenza, abbiamo osservato che il segnale di sequenziamento dei nanopori mostra una complessa eterogeneità tra eventi di metilazione dello stesso tipo. Per catturare questa complessità e consentire il sequenziamento dei nanopori per la scoperta della metilazione ampiamente applicabile, abbiamo generato un set di dati di addestramento da un assortimento di specie batteriche e sviluppato un nuovo metodo che associa l'identificazione e la mappatura fine delle tre forme di metilazione del DNA in un progetto di classificazione multi-etichetta.

Abbiamo valutato il metodo e poi lo abbiamo applicato a singoli batteri e al microbioma intestinale di topo per una scoperta affidabile della metilazione. Inoltre, abbiamo dimostrato nell'analisi del microbioma l'uso della metilazione del DNA per il binning dei contigs metagenomici, associare elementi genetici mobili con i loro genomi ospiti, e per la prima volta, identificare contig metagenomici disassemblati.

Ha detto Gang Fang del Monte Sinai del lavoro:

• La metilazione del DNA svolge un ruolo importante nel genoma umano, ed è ampiamente studiato in salute e varie malattie. La metilazione del DNA è prevalente anche nei batteri, ma la nostra comprensione attuale è ancora in una fase relativamente iniziale.
• Un numero crescente di studi ha riportato che la metilazione del DNA batterico svolge un ruolo importante nella regolazione di fenotipi di batteri patogeni rilevanti dal punto di vista medico, come la virulenza, formazione di biofilm, virulenza, sporulazione, tra gli altri.
• Lo studio più ampio e approfondito della metilazione del DNA batterico richiede tecnologie affidabili, e il nostro nuovo metodo colma un'importante lacuna in quanto ora consente l'uso del sequenziamento Nanopore per fare nuove scoperte dai genomi batterici.
• Questo nuovo metodo ha un'ampia utilità per scoprire diverse forme di metilazione del DNA da batteri, assistere gli studi funzionali della regolazione epigenetica nei batteri, e sfruttando gli epigenomi batterici per analisi metagenomiche più efficaci.

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