Nature子刊:何川团队开发超快速精准检测微量DNA与RNA中5

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发布时间:2024-09-06 10:42

DNA中的5-甲基胞嘧啶(5mC)是生物学领域基本的表观遗传标记,对调节基因表达至关重要。5mC不仅是多个生物学领域的研究重点,而且在临床上,5mC的异常甲基化模式与包括癌症在内的多种疾病的发生发展密切相关,为疾病的早期诊断和监测提供了有效的生物标志物。

对5mC位点的精准检测对基础研究和疾病检测的准确性至关重要。尽管亚硫酸氢盐测序(BS-seq)技术在基础研究和临床上应用广泛,但目前用于5mC检测的常规BS-seq方法有明显缺陷:1)反应时间长,限制了其在临床上的快速检测。2)在高GC DNA区域或高度结构化的DNA(例如线粒体DNA),C到U的转化不完全,导致高背景和假阳性。3)DNA降解严重,对微量的样品如cell-free DNA(cfDNA)的检测带来挑战。4)常规BS处理造成非甲基化的区域优先降解,使得甲基化水平被高估。在临床上能用小量样品进行快速而准确地检测5mC一直是DNA表观遗传领域的一项挑战。而用于RNA m5C 检测的BS-seq同样困难重重。RNA的降解问题尤其严重。RNA的二级结构或稳定的RNA(比如tRNA)导致严重的高背景和假阳性。目前还缺乏准确有效的检测m5C的方法。

2024年1月2日,芝加哥大学何川团队在 Nature Biotechnology 期刊发表了题为:Ultrafast bisulfite sequencing detection of 5-methylcytosine in DNA and RNA 的研究论文。

该研究开发出了对微量DNA和RNA上的5-甲基胞嘧啶修饰进行快速,准确检测的测序方法——Ultrafast Bisulfite Sequencing(简称为UBS-seq)。

何川课题组的戴庆博士根据BS-seq的机理以及由于BS反应而造成的DNA降解机制,发现用亚硫酸氢铵盐代替钠盐可以大大提高BS的效率,C能够在几分钟内完全转化为U而5mC保持不变(图1a),并且由于反应的时间大为缩短,DNA的降解也显著降低(图1b)。UBS-seq测序背景噪音比常规BS-seq降低10倍以上,并且UBS-seq整体转化效率更加一致(图1d)。

图1:UBS-seq在DNA样品上的的转化效率

UBS-seq不仅可以用于微量mESC基因组的测序,还可用于极少量细胞样品,甚至单细胞,在背景噪音和假阳性等方面要比常规BS-seq低得多。研究团队进一步应用UBS-seq来比对早期结直肠癌病人组和对照组的血液中提取的cfDNA 样品,发现明显的甲基化区别。

这些结果显示UBS-seq在寻找5mC作为疾病的早期诊断的指标方面具有广泛的应用前景。另外,由于具有快速且能减少DNA的降解而特别适用于小量样品的特点,UBS-seq在从少量样品中检测已知的5mC疾病指标,以及在临床快速诊断和手术中的实时决策方面,具有独特的优势和应用前景。

除了快速准确检测DNA中的5mC外,UBS-seq也可以用于快速准确检测RNA中的m5C。m5C广泛存在于多种类型的RNA中,影响细胞功能,并在多种癌症中发挥重要作用。然而,由于缺乏灵敏、准确的定量测序方法,m5C在不同RNA类型上的位置及化学计量一直有争论。与DNA中的5mC相比,mRNA中m5C的修饰位点以及修饰水平要低得多,因此如何避免常规 BS-seq中所产生的假阳性,降低RNA降解从而精准地检测到m5C位点并定量其修饰比例,一直是 RNA BS-seq 的主要挑战。研究人员进一步优化了UBS-seq 的配方,发现在98度下加热9分钟后,rRNA上所有的C位点的未转化率(背景噪音)仅有1%,而两个已知的m5C位点的未转化率(阳性信号)高达95%(图2a)。UBS-seq在rRNA样品上的准确性大大优于几种已发表的m5C BS-seq 方法(图2b)。

随后研究团队将UBS-seq应用于具有复杂二级结构的tRNA,检测并且观察到NSUN2修饰位点的修饰比例能响应NSUN2基因的敲除(图2c),进一步验证了BS-seq的有效性和准确性。研究人员用UBS-seq对HeLa和HEK293T的mRNA进行了测序,发现了近两千多具有保守序列模式的位点(图2d)。随着NSUN2基因敲除,绝大多数m5C位点的修饰比例下降(图2e)。当把NSUN2的基因再转入敲除的细胞后,m5C位点的修饰比例又回升了(图2f)。这些结果证明了m5C UBS-seq 方法不仅非常灵敏高效,而且非常准确。为研究m5C的生物功能提供了有力的工具。

图2:UBS-seq在RNA样品上的的转化效率,以及不同类型RNA上m5C位点的检测

何川教授的团队近年来相继开发出了SAC-seq用于定量检测m6A,BID-seq用于定量检测等测序新方法,极大的促进了表观转录学领域的发展。随着UBS-seq的发表,将会进一步促进m5C的生物功能的研究,并和SAC-seq,BID-seq一起引领RNA表观转录组领域步入新的阶段。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41587-023-02034-w