通過一種新的DNA測序技術(shù)，研究人員首次繪制了致病菌全基因組甲基化標(biāo)記圖譜。通過比較相關(guān)菌株之間的甲基化模式，他們發(fā)現(xiàn)了稱作噬菌體的病毒感染細(xì)菌顯著改變宿主的一種方式。

    布萊根婦女醫(yī)院（Brigham and Women's Hospital）、霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員Matthew K. Waldor和紐約西奈山醫(yī)學(xué)院的Eric Schadt共同領(lǐng)導(dǎo)了這一研究。研究結(jié)果發(fā)表在11月8日的《自然生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）雜志上。

    Waldor一直在對導(dǎo)致2011年德國疾病爆發(fā)的大腸桿菌菌株進(jìn)行研究。他說很明顯疾病爆發(fā)的早期階段引起疾病的病原體并不獨(dú)特，他感到奇怪是什么導(dǎo)致了它們不同尋常的毒性。在調(diào)查的過程中，他和同事們觀察發(fā)現(xiàn)致病大腸桿菌菌株（大腸桿菌O104:H4）相比強(qiáng)毒株某些基因的甲基化存在差異。

    一個(gè)生物體的基本遺傳藍(lán)圖存在于構(gòu)成DNA的核苷酸序列中，而其他的信息則編碼在這些核苷酸的化學(xué)修飾中。眾所周知，在動物和植物中甲基化作用是關(guān)閉基因。在一些模式細(xì)菌物種中，已知DNA修飾會影響染色質(zhì)復(fù)制、基因表達(dá)和毒性。但科學(xué)家們?nèi)鄙偌?xì)菌基因組中DNA甲基化效應(yīng)的完整圖譜。

    當(dāng)Waldor和同事們對之前觀察到的改變的甲基化模式進(jìn)行研究時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)一種獨(dú)特的噬菌體（一種病毒）感染了這種強(qiáng)毒的大腸桿菌菌株。此外，當(dāng)這一噬菌體侵入細(xì)菌細(xì)胞時(shí)，它配備的一種蛋白可以將甲基基團(tuán)添加到DNA上。

    Waldor說：“我們想知道噬菌體的甲基化系統(tǒng)是否會影響感染細(xì)菌的甲基化，它是否甚至能夠影響這一生物體的毒性。”

    為了解答這一問題，Waldor研究小組轉(zhuǎn)而借助了一種稱作單分子實(shí)時(shí)（SMRT）DNA測序的相對較新的技術(shù)。大部分的DNA測序方法只報(bào)告構(gòu)成遺傳密碼的四種核苷酸——腺嘌呤、胞嘧啶、鳥嘌呤和胸腺嘧啶的序列。但SMRT測序以不同的方式運(yùn)行。“利用這一技術(shù)，你可以檢測DNA合成，同時(shí)你可以獲得關(guān)于堿基次序的信息，你還可以獲得每個(gè)堿基添加的動力學(xué)信息，” Waldor解釋說。在2010年，Pacific Biosciences公司的研究人員發(fā)現(xiàn)堿基的化學(xué)修飾可以改變這些動力學(xué)——例如如果模板堿基有甲基基團(tuán)附著，堿基的添加會減慢。

    這表明利用SMRT測序可以繪制出基因的化學(xué)修飾。Waldor研究小組不只是分析了單個(gè)基因，他們利用SMRT繪制了整個(gè)大腸桿菌O104:H4基因組的甲基化模式。他們發(fā)現(xiàn)了5萬多個(gè)甲基化位點(diǎn)。“我們的論文第一次證實(shí)了這一技術(shù)能夠真正在全基因組水平上、以單核苷酸分辨率使用，” Waldor說。

    科學(xué)家們還證實(shí)他們研究的大腸桿菌菌株具有11種控制甲基化的酶。其中七種是以前從未研究過的甲基轉(zhuǎn)移酶。Waldor團(tuán)隊(duì)確定了這些甲基轉(zhuǎn)移酶往往將甲基基團(tuán)添加到哪些基因序列上。隨后他們將注意力從感染致病菌O104:H4的噬菌體轉(zhuǎn)移到甲基轉(zhuǎn)移酶上。

    當(dāng)大腸桿菌O104:H4感染噬菌體時(shí)，不僅增加了成千上萬的甲基化位點(diǎn)，超過三分之一的細(xì)菌基因也改變了表達(dá)模式。“看到感染這一病毒能夠?qū)φ麄€(gè)基因組的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生如此深遠(yuǎn)的全面效應(yīng)，我們感到非常吃驚，” Waldor說。病毒甲基轉(zhuǎn)移酶的存在影響了細(xì)菌的生長率，盡管沒有最終影響它的全部毒性。

    Waldor說進(jìn)一步研究對改變大腸桿菌特性至關(guān)重要的甲基基團(tuán)將有助于研究人員了解甲基化對細(xì)菌生命周期、傳染力、甚至或許是耐藥性的作用。且SMRT技術(shù)現(xiàn)在可以應(yīng)用于其他的細(xì)菌菌株和類型?，F(xiàn)在，這一方法只在細(xì)菌中起作用，但Waldor期望這一情況能迅速發(fā)生改變。

    他說：“這就像有一臺新顯微鏡能看到過去從未見過的東西。它將推動開展新一代的研究了解細(xì)菌王國中DNA修飾的重要性，我們想不會太久就可應(yīng)用到所有的生命王國中。”