Информационное содержание генетического кода в ДНК не ограничивается первичной нуклеотидной последовательностью A, G, C и T. Отдельные основания ДНК могут быть химически модифицированы со значительными функциональными последствиями. В бактериальном царстве наиболее распространенные модификации оснований находятся в форме метилирования ДНК, в частности, до остатков аденина и цитозина. Помимо их участия в защите хозяина, появляется все больше данных, свидетельствующих о том, что эти модификации также играют важную роль в регуляции экспрессии генов, вирулентности и устойчивости к антибиотикам.Исследовательская группа использовала систему PacBio® RS II от Pacific Biosciences, которая может собирать данные об основных модификациях одновременно со сбором данных о последовательностях ДНК.
Секвенирование одной молекулы PacBio в реальном времени позволяет обнаруживать N6-метиладенин и 4-метилцитозин, два основных типа модификаций ДНК, составляющих бактериальный метилом. Однако существующие методы изучения бактериальных метиломов основаны на консенсусе на уровне популяции, в котором отсутствует разрешение отдельных клеток, необходимое для наблюдения эпигенетической гетерогенности.
«Мы создали метод обнаружения и фазирования метилирования ДНК на уровне отдельных молекул. Мы обнаружили, что типичная популяция клональных бактерий, которая в противном случае могла бы считаться однородной с использованием традиционных методов, имеет эпигенетически различные субпопуляции с разными паттернами экспрессии генов », — сказал Ганг Фанг, доктор философии, доцент кафедры генетики и геномики в Медицинской школе Икана в Маунт Синай и старший автор исследования.
Учитывая, что фенотипическая гетерогенность в бактериальной популяции может увеличить ее преимущество в выживании в стрессовых условиях, таких как лечение антибиотиками, этот новый метод является весьма многообещающим для будущего лечения бактериальных патогенов, так как он позволяет de novo обнаруживать и характеризовать эпигенетическую гетерогенность в бактериальной среде. численность населения.’Исследователи изучили семь бактериальных штаммов, продемонстрировав, что новый метод выявляет различные типы эпигенетической гетерогенности. В случае Helicobacter pylori, патогенной бактерии, которая колонизирует более 40 процентов населения мира и связана с раком желудка, команда обнаружила, что эпигенетическая гетерогенность может быстро проявляться при делении одной клетки, а разные субпопуляции с разными паттернами метилирования имеют разные паттерны экспрессии генов. . Это могло способствовать увеличению устойчивости Helicobacter pylori к антибиотикам.
«Применение этой новой техники позволит более полно охарактеризовать функции метилирования ДНК и их влияние на физиологию бактерий. Устранение нуклеотидных модификаций на уровне одной молекулы, одного нуклеотида, особенно при интеграции с другими данными на уровне одной молекулы или одной клетки, такими как экспрессия РНК и белка, поможет разрешить регуляторные отношения, которые управляют фенотипами более высокого порядка, такими как устойчивость к лекарствам », — сказал он.
Эрик Шадт, доктор философии, директор-основатель Института Икана и профессор геномики в Медицинской школе Икана на горе Синай. «Разработанный нами подход также может быть использован для анализа ДНК-вирусов и митохондриальной ДНК человека, которые обладают значительной эпигенетической гетерогенностью».