Nucleic Acids Res:中科院基因组所陈非研究组与首都医科大学黄海荣
2015年12月，国际期刊《Nuclear Acid Research》在线发表中国科学院北京基因组研究所基因组科学与信息重点实验室陈非研究组和首都医科大学附属北京胸科医院国家结核病临床实验室黄海荣研究组合作的一项研究成果，研究人员首次精准解析结核分枝杆菌复合群甲基化图谱，论文题为“Precision methylome characterization ofMycobacterium tuberculosis complex (MTBC) using PacBio single-molecule real-time (SMRT) technology”。北京基因组研究所祝令香副研究员为论文的第一作者，陈非研究员与黄海荣研究员为论文共同通讯作者。
结核病是全球最常见的传染病之一，据WTO“2015年全球结核病年报”报告，2014年全球新增感染人数960万，死亡150万，新增耐多药结核(MDR)病例48万(其中我国新增结核感染病例93万，居全球第三位)，其目前仍是全球第二大传染病。结核分枝杆菌复合群(Mycobacterium tuberculosis complex, MTBC)是引发结核病的元凶，其主要包含结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis)、非洲分枝杆菌(Mycobacterium africanum)、牛分枝杆菌(Mycobacterium bovis)和田鼠分枝杆菌(Mycobacterium microti)。MTBC成员在基因组序列上相似性超过99%，但是不同的谱系在毒力和宿主上有着较大的差异。DNA甲基化对于基因表达的时空特异性研究具有重要意义，因而成为表观遗传学的研究热点。然而，自1998年第一篇结核分枝杆菌全基因组在Nature杂志上发表至今，其全基因组甲基化图谱并未揭晓。
为了全景式解析MTBC的基因组甲基化图谱，研究人员选取了分属不同谱系的12株MTBC(包括牛分枝杆菌、卡介苗、田鼠分枝杆菌、非洲分枝杆菌、6株临床结核分枝杆菌，以及结核分枝杆菌标准株H37Rv、H37Ra各1株)，利用Pacbio三代单分子实时测序技术(Single-Molecule Real-Time, SMRT)对它们的全基因甲基化组进行了全方位的解析。该研究共鉴定到了3种MTBC中特有的m6A甲基化基序及相对应的甲基转移酶基因——mamA、hsdM 和mamB，并通过实验验证了上述酶的活力。通过比较基因组学的研究，该研究还发现了导致甲基化酶失活的基因突变或缺失。
上述研究团队还通过深入挖掘Pacbio三代测序所获得的数据，借助于对单位点甲基化比例的计算，得到了MTBC的精准甲基化图谱，揭示了细菌中也存在大量的“部分甲基化”及“未甲基化”位点，说明细菌的基因组DNA甲基化也可能如真核生物细胞DNA甲基化一样具有复杂的调控机制。经过进一步的深入探究还发现，大部分未甲基化位点与转录因子结合区域重合，暗示转录因子的存在可能保护这些区域免于甲基化。
该项研究不但揭示了MTBC的全基因组精准甲基化图谱，而且提出了在MTBC中dna甲基化修饰可能行使表观调控作用的假说，为研究结核病病原菌的表观表型特征提供了别样的解析视角。此外，该研究还表明Pacbio三代测序平台在精准表征核酸表观遗传修饰上具有巨大潜力，为深入探究核酸表观遗传修饰的精准调控机制提供了新的工具和思路。
12株MTBC基因组信息和DNA甲基化信息图
原文链接：
Precision methylome characterization ofmycobacterium tuberculosis complex (MTBC) using PacBio single-molecule real-time (SMRT) technology
原文摘要：
Tuberculosis (TB) remains one of the most common infectious diseases caused by Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC). To panoramically analyze MTBC's genomic methylation, we completed the genomes of 12 MTBC strains (Mycobacterium bovis; M. bovis BCG; M. microti; M. africanum; M. tuberculosis H37Rv; H37Ra; and 6 M. tuberculosis clinical isolates) belonging to different lineages and characterized their methylomes using single-molecule real-time (SMRT) technology. We identified three m6A sequence motifs and their corresponding methyltransferase (MTase) genes, including the reported mamA, hsdM and a newly discovered mamB. We also experimentally verified the methylated motifs and functions of HsdM and MamB. Our analysis indicated the MTase activities varied between 12 strains due to mutations/deletions. Furthermore, through measuring ‘the methylated-motif-site ratio’ and ‘the methylated-read ratio’, we explored the methylation status of each modified site and sequence-read to obtain the ‘precision methylome’ of the MTBC strains, which enabled intricate analysis of MTase activity at whole-genome scale. Most unmodified sites overlapped with transcription-factor binding-regions, which might protect these sites from methylation. Overall, our findings show enormous potential for the SMRT platform to investigate the precise character of methylome, and significantly enhance our understanding of the function of DNA MTase.
作者：陈非和黄海荣
