纳米孔全长cDNA测序和直接DNA甲基化分析解决大麻基因组拷贝数的争论

大麻（Cannabis sativa）通常分为大麻（Marijuana）和工业大麻（Hemp），通常依据植物产生THC（四氢大麻酚）的含量来区分：大麻的THC含量通常较高（> 10％），工业大麻通常较低（<0.3％），但他们都可以产生高水平的CBD（大麻二酚），工业大麻可用作纤维和燃料且市场增长很快。

2015年，索尔克生物研究所（Salk Institute for Biological Studies）的Todd教授及团队进行了一项研究：将高THC植株与低THC植株进行杂交，进行QTL（数量性状基因座）分析有以下关键发现：

效力基因座位于1号和3 号染色体，基因组进行测序发现合酶基因座位于9号染色体，解析染色体结构发现合酶基因连在一起在9号染色体上形成串联重复嵌套簇

识别到一个THC基因簇、一个CBD基因簇和一个“自己单独在那里”的CBD合酶，分别独立位于逆转座子嵌套中

合酶基因本身没有内含子，每个不同的拷贝都很相似

PromethION测序解析不同品系大麻合酶基因组结构

为了研究这些基因在基因组中是否保守，Todd及团队利用纳米孔高通量PromethION平台对三个不同的大麻品系进行测序——高THC含量、高THC和CBD含量、高CBD含量但低THC含量。 得到的组装重叠群（Contig）N50在0.8 Mb到1.4 Mb之间，使用遗传图谱锚定到染色体中，揭示了：高THC含量品系植株：有一个与合酶簇相关的重大染色体重排事件，且与合酶基因簇有关，有一个与其他两个品系不同的THC合酶基因盒；高CBD含量品系植株：CBD和THC簇大多有共同的合酶结构；高THC和CBD含量品系植株：在THC酸合酶簇中有个杂合区

纳米孔全长cDNA测序区分旁系同源物表达：识别和量化基因表达差异

“纳米孔全长cDNA测序使我们能准确地识别和量化出所有表达的基因。”——Todd Michael教授

利用短读长测序分析仅能发现旁系同源物具有高度相关的表达，相比之下，利用纳米孔全长cDNA测序可以很好的区分这些密切相关的旁系同源物表达。利用MinION进行全长cDNA测序，每个样品仅使用一个MinION测序芯片，即能够生成足够的数据量来识别和量化表达基因。

高THC含量品系植株：11种合酶中只有一种THC酸合酶在花的样本中表达，存在未表达CBD酸合酶；

高CBD含量品系植株：三个植株都表达了CBD酸合酶；

高THC和CBD含量品系植株：有一个THC酸合酶在杂合区域进行了表达。

纳米孔直接DNA甲基化识别并量化高度重复基因组的甲基化

Todd和他的团队研究发现5x和30x覆盖度的纳米孔数据与100x短读长亚硫酸氢盐测序数据之间的CpG甲基化识别在大多数区域有95%以上的一致性。

Todd及团队利用现有的纳米孔长读长数据，对大麻基因组进行直接DNA甲基化研究发现：高THC含量品系DNA甲基化水平非常高，且由于基因组高重复性，基因组几乎“被甲基化覆盖”。通过评估三种类型的胞嘧啶甲基化发现：CpG和CHG中有50%胞嘧啶被甲基化，而CHH只有一小部分被甲基化。(生物谷Bioon.com）

【直播预告】纳米孔测序在人类遗传学和罕见病研究中的应用
【日期】2020/11/19 15:00
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