Nat Biotech | 新方法同时测序DNA遗传和表观遗传碱基

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原创 图灵基因 图灵基因 2023-02-20 13:29 发表于江苏
收录于合集#前沿分子生物学技术








常用的测序方法不能从遗传学和表观遗传学中获取全部信息。其中一些可能涉及单独、并行的工作流程和排序以生成完整的信息，这可能会增加样本需求、成本和时间，或者生成没有分阶段信息的数据。

来自剑桥大学和剑桥Epigenetix有限公司的研究人员提出了一种在单一实验和数据工作流程中获取准确、阶段性遗传和表观遗传信息的方法。值得注意的是，该方法与任何定序器平台都兼容。这种方法通过提供更全面的生物信息、易于使用和降低成本，可能在研究和诊断方面提供许多优势。

这项研究“Simultaneous sequencing of genetic and epigenetic bases in DNA”发表在《Nature Biotechnology》杂志上。




大多数DNA测序方法都涉及遗传学或表观遗传学，这意味着它们需要并行工作，只能提供部分信息。此外，组合不同的数据集是困难的，可能导致测量误差的累积和工作流程之间的覆盖差距。




这个问题的核心在于，许多用于发现表观遗传DNA碱基的方法都不起作用，因为它们无法捕捉到常见的C-T突变（哺乳动物基因组和癌症中最常见的突变），也无法区分5-甲基胞嘧啶（5mC）和5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）之间的区别。由于无法区分C-T转化和5mC与5hmC导致的歧义增加了搜索空间中的假阳性匹配的数量，因此使得转换读取的计算对齐和映射变得更慢、更昂贵，更不准确。




已经开发了几种碱基转换化学方法来帮助区分未改变的C和其5mC或5hmC表观遗传变体之间的区别。其中包括基于亚硫酸氢钠的方法，如全基因组亚硫酸氢钠测序（WGBS），以及无亚硫酸氢钠的方法，如酶甲基测序（EM-seq）和TET辅助的吡啶硼烷测序。然而，所有这些方法都有一个重要的缺点，即将C碱基或其表观遗传衍生物之一转换为U（读作T），会影响对基因C-T变化的直接检测。




此外，这些现有的方法无法在单个工作流程中区分5mC和5hmC。已经开发了通过仅转换一个碱基来区分5hmC和5mC的方法，例如，氧化亚硫酸氢钠测序、TET辅助的吡啶硼烷测序β、TET辅助的亚硫酸氢钠测序、APOBEC耦合的表观遗传测序，或通过在DNA链上选择性复制5mC。




第三代测序系统，如单分子实时（SMRT）测序和使用纳米孔测序检测DNA胞嘧啶甲基化，也通过检测表观遗传修饰直接引起的信号差异，在同一工作流程中测量表观遗传和遗传修饰。由于像甲基和羟甲基胞嘧啶这样的DNA变化在PCR过程中会丢失，因此它们不能用来复制更多的起始物质。因此，它们受到低DNA输入所能达到的读取深度的严重限制。这意味着他们无法对循环的肿瘤DNA（这只是cfDNA的一小部分）进行采样，也无法测量特定位点上甲基化程度超过0%或100%的表观遗传变化。

当使用具有四态读数（G、C、T和A）的单碱基编码系统对DNA进行测序时，你可以在一次运行中报告最多四种遗传或表观遗传信息状态。一个双基编码系统，其中两个碱基的组合发送关于一个状态的信息，可用于清晰地解码多达16个状态。这使得在一次运行中读取所有四种遗传状态和多种表观遗传状态成为可能。

这篇发表在《Nature Biotechnology》上的研究文章展示了一种全基因组测序方法，可以对四个基因字母加上5mC和5hmC进行测序，从而在一个工作流程中获得所有六个字母的精确数字读数。使用这种方法，DNA样本仅使用酶进行处理，这可以防止DNA断裂，并防止基因组覆盖被扭曲。当原始链和复制链上的碱基同时被解码时，它会给出一个分阶段的数字读数。这样就能更全面地了解储存在基因组中的信息。研究人员将这种方法应用于从癌症患者血液样本中提取的人类基因组DNA和无细胞DNA。

这篇研究文章最后说，未来的工作将侧重于通过使用内置于技术中的更多信息状态来衡量更多的变化。

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