結(jié)核病是全球最常見的傳染病之一,據(jù)WTO“2015年全球結(jié)核病年報(bào)”報(bào)告,2014年全球新增感染人數(shù)960萬,死亡150萬,新增耐多藥結(jié)核(MDR)病例48萬(其中我國新增結(jié)核感染病例93萬,居全球第三位),其目前仍是全球第二大傳染病。結(jié)核分枝桿菌復(fù)合群(Mycobacterium tuberculosis complex, MTBC)是引發(fā)結(jié)核病的元兇,其主要包含結(jié)核分枝桿菌(Mycobacterium tuberculosis)、非洲分枝桿菌(Mycobacterium africanum)、牛分枝桿菌(Mycobacterium bovis)和田鼠分枝桿菌(Mycobacterium microti)。MTBC成員在基因組序列上相似性超過99%,但是不同的譜系在毒力和宿主上有著較大的差異。DNA甲基化對于基因表達(dá)的時(shí)空特異性研究具有重要意義,因而成為表觀遺傳學(xué)的研究熱點(diǎn)。然而,自1998年第一篇結(jié)核分枝桿菌全基因組在Nature雜志上發(fā)表至今,其全基因組甲基化圖譜并未揭曉。
為了全景式解析MTBC的基因組甲基化圖譜,中國科學(xué)院北京基因組研究所基因組科學(xué)與信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳非研究組和首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京胸科醫(yī)院國家結(jié)核病臨床實(shí)驗(yàn)室黃海榮研究組合作,選取了分屬不同譜系的12株MTBC(包括牛分枝桿菌、卡介苗、田鼠分枝桿菌、非洲分枝桿菌、6株臨床結(jié)核分枝桿菌,以及結(jié)核分枝桿菌標(biāo)準(zhǔn)株H37Rv、H37Ra各1株),利用Pacbio三代單分子實(shí)時(shí)測序技術(shù)(Single-Molecule Real-Time, SMRT)對它們的全基因甲基化組進(jìn)行了全方位的解析。該研究共鑒定到了3種MTBC中特有的m6A甲基化基序及相對應(yīng)的甲基轉(zhuǎn)移酶基因——mamA、hsdM 和mamB,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述酶的活力。通過比較基因組學(xué)的研究,該研究還發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致甲基化酶失活的基因突變或缺失。
上述研究團(tuán)隊(duì)還通過深入挖掘Pacbio三代測序所獲得的數(shù)據(jù),借助于對單位點(diǎn)甲基化比例的計(jì)算,得到了MTBC的精準(zhǔn)甲基化圖譜,揭示了細(xì)菌中也存在大量的“部分甲基化”及“未甲基化”位點(diǎn),說明細(xì)菌的基因組DNA甲基化也可能如真核生物細(xì)胞DNA甲基化一樣具有復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制。經(jīng)過進(jìn)一步的深入探究還發(fā)現(xiàn),大部分未甲基化位點(diǎn)與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合區(qū)域重合,暗示轉(zhuǎn)錄因子的存在可能保護(hù)這些區(qū)域免于甲基化。
該項(xiàng)研究不但揭示了MTBC的全基因組精準(zhǔn)甲基化圖譜,而且提出了在MTBC中DNA甲基化修飾可能行使表觀調(diào)控作用的假說,為研究結(jié)核病病原菌的表觀表型特征提供了別樣的解析視角。此外,該研究還表明Pacbio三代測序平臺在精準(zhǔn)表征核酸表觀遺傳修飾上具有巨大潛力,為深入探究核酸表觀遺傳修飾的精準(zhǔn)調(diào)控機(jī)制提供了新的工具和思路。
該研究成果于2015年12月在線發(fā)表于國際期刊Nuclear Acid Research。該研究得到中國科學(xué)院百人計(jì)劃、中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目、重大傳染病防治重大專項(xiàng)等資助。

12株MTBC基因組信息和DNA甲基化信息圖