Science：当心！新研究指出高等生物中存在高水平DNA甲基化的大部分证据可能源于细菌污染

2022年2月6日讯/生物谷BIOON/---几十年来，一小群一流的医学研究人员一直在研究一种生物化学的DNA标记系统，它可以开启或关闭基因。许多人已经在细菌中研究了它，如今有些人已经在植物、苍蝇，甚至人类脑瘤中看到了它的迹象。然而，在一项新的研究中，来自美国西奈山伊坎医学院的研究人员发现这可能存在一个问题：它在高等生物体中存在的大部分证据可能是由于细菌污染造成的，而使用目前的实验方法很难发现。相关研究结果发表在2022年2月4日的Science期刊上，论文标题为“Critical assessment of DNA adenine methylation in eukaryotes using quantitative deconvolution”。

为了解决这个问题，这些作者构建出一种量身定做的基因测序方法，该方法依靠一种新的机器学习算法来准确测量经过标记的DNA的来源和水平。这帮助他们将细菌的DNA与人类和其他非细菌细胞的DNA区分开来。虽然这些研究结果支持了这一系统可能在非细菌细胞中自然发生的观点，但其水平比以前的一些研究报告低得多，而且很容易被细菌污染或当前的实验方法所歪曲。针对人类脑癌细胞的实验产生了类似的结果。

论文通讯作者、西奈山伊坎医学院遗传学与基因组科学副教授Gang Fang博士说，“突破医学研究的界限可能是一种挑战。有时想法是如此新颖，以至于我们必须重新思考我们用来测试它们的实验方法。在这项的研究中，我们开发了一种新方法，可以有效地测量各种物种和细胞类型中的这种DNA标记。我们希望这将帮助科学家们揭示这些过程在进化和人类疾病中可能发挥的许多作用。”

图片来自Cell, 2015, doi:10.1016/j.cell.2015.04.010。

这项研究的重点是DNA腺嘌呤甲基化，这是一种生物化学反应，它将一种称为甲基的化学物质附着在腺嘌呤上，其中腺嘌呤是用于构建长长的DNA链和编码基因的四种碱基之一。这可以“表观遗传”地激活或沉默基因，而不实际改变DNA序列。例如，众所周知，腺嘌呤甲基化在一些细菌如何抵御病毒方面起着关键作用。

几十年来，科学家们认为腺嘌呤甲基化严格地发生在细菌中，而人类和其他非细菌细胞则依靠不同碱基---胞嘧啶---的甲基化来调节基因。然后，从2015年左右开始，这种观点发生了变化。科学家们在植物、果蝇、小鼠和人类细胞中发现了高水平的腺嘌呤甲基化，表明这一反应在整个进化过程中发挥了更广泛的作用。

然而，进行这些初始实验的这些作者面临着困难的权衡。一些人使用的技术可以精确测量来自任何细胞类型的腺嘌呤甲基化水平，但没有能力识别每个DNA片段来自哪个细胞，而另一些人依靠的方法可以发现不同细胞类型的甲基化，但可能高估反应水平。

在这项新的研究中，Fang博士的团队开发了一种名为6mASCOPE的方法，克服了这些权衡。在这种方法中，DNA被从组织或细胞样本中提取出来，并称为酶的蛋白切成短链。这些短链被放置在微小的孔中，并用酶处理，使每条链产生新的拷贝。然后，一台先进的测序机实时测量每种碱基被添加到新链中的速率。甲基化的腺嘌呤会稍微延迟这一过程。然后将这些结果输入一种机器学习算法，据此，这些作者对该算法进行了培训，以便从这些测序数据中估计甲基化水平。

Fang博士说，“这些DNA序列使我们能够确定甲基化发生在哪种细胞---人类细胞或细菌细胞，而这种机器学习模型分别定量确定了每种物种的甲基化水平。”

在简单的单细胞生物（比如绿藻）上的初步实验表明6mASCOPE方法是有效的，因为它可以检测出两种都具有高水平腺嘌呤甲基化的有机体之间的差异。

这种方法似乎也能有效地定量确定复杂有机体的腺嘌呤甲基化。例如，以前的研究益表明，高水平的甲基化可能在果蝇和开花野草拟南芥的早期生长中起作用。在这项新的研究中，这些作者发现，这些高水平的甲基化主要是由污染的细菌DNA造成的。实际上，这些实验中的果蝇和植物的DNA只具有微量的甲基化。

同样，对人类细胞的实验表明，在健康和疾病的情况下，DNA甲基化的水平都非常低。从患者血液样本中获得的免疫细胞DNA只有微量的甲基化。

从胶质母细胞瘤样本中分离出的DNA也出现了类似的结果。这一结果与之前的一项研究---指出肿瘤细胞中的腺嘌呤甲基化水平高得多---不同。然而，正如这些作者所指出的，可能需要更多的研究来确定这种差异在多大程度上可能是由于肿瘤亚型的差异以及其他潜在的甲基化来源。

最后，这些作者发现作为一种科学家们经常用来操纵基因的工具，质粒DNA可能被源于细菌的高水平甲基化所污染，这表明这种DNA可能是未来实验中的污染源。

Fang博士说，“我们的结果表明，测量腺嘌呤甲基化的方式可能对实验结果产生深远的影响。我们并不意味着排除某些人体组织或疾病亚型可能具有高度丰富的DNA腺嘌呤甲基化的可能性，但我们确实希望6mASCOPE将帮助科学家们全面调查这一问题，排除细菌污染造成的偏差。为了帮助做到这一点，我们已将6mASCOPE分析软件和详细的操作手册广泛提供给其他研究人员。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Yimeng Kong et al. Critical assessment of DNA adenine methylation in eukaryotes using quantitative deconvolution. Science, 2022, doi:10.1126/science.abe7489.