DNA由四種核苷制成，每種核苷都有自己的字母-A，G，C和T.然而，由于DNA的結(jié)構(gòu)在1953年被破譯，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了其他幾種常被添加到DNA序列中的變體。替換通常的四個(gè)字母之一。這些變體可以是傳統(tǒng)核苷的修飾形式，通常有助于細(xì)胞控制哪些基因被打開和關(guān)閉，并且在DNA中被稱為“表觀遺傳標(biāo)記”。在細(xì)菌中，它們還可以保護(hù)DNA免受其他生物如病毒的侵襲。

到目前為止，這些DNA修飾是偶然發(fā)現(xiàn)的，因?yàn)榭茖W(xué)家在DNA的化學(xué)分析中發(fā)現(xiàn)了意想不到的信號(hào)。然而，麻省理工學(xué)院，佛羅里達(dá)大學(xué)和其他機(jī)構(gòu)的新方法提供了一種發(fā)現(xiàn)未知表觀遺傳標(biāo)記和修飾的系統(tǒng)方法。“這是一種發(fā)現(xiàn)你不知道存在的核酸修飾的方法，”麻省理工學(xué)院Underwood-Prescott生物工程教授Peter Dedon說。“我們已經(jīng)開發(fā)出一種技術(shù)平臺(tái)，用于發(fā)現(xiàn)和表征這些新的修改。”

Dedon和他的同事懷疑特別是細(xì)菌和病毒有許多尚未發(fā)現(xiàn)的DNA修飾，這可能為生物技術(shù)提供新的抗生素目標(biāo)和新工具。結(jié)合生物分析化學(xué)，比較基因組學(xué)和特殊類型的DNA測(cè)序，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種DNA修飾，可幫助細(xì)菌保護(hù)其基因組免受病毒感染。他們?cè)?月29日那周的“美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊”上報(bào)道了這些發(fā)現(xiàn)。

多管齊下的方法

DNA修飾通常在細(xì)胞分裂過程中合成后通過酶插入DNA中。這些修飾通常用作標(biāo)記物，有助于告知細(xì)胞在給定時(shí)間應(yīng)該打開哪些基因。DNA修飾還可以幫助細(xì)胞保護(hù)其DNA免受來自病毒和其他細(xì)菌的外來DNA的攻擊。更多種類似的修飾也有助于所有類型的RNA，包括信使RNA和轉(zhuǎn)移RNA，發(fā)揮其功能。

Dedon和ValériedeCrécy-Lagard是佛羅里達(dá)大學(xué)的微生物學(xué)和細(xì)胞科學(xué)教授，他決定采用更系統(tǒng)的方法來發(fā)現(xiàn)這些修改。

DeCrécy-Lagard之前發(fā)現(xiàn)了許多合成RNA修飾所需的基因，稱為queuosine和archeosine，它們存在于微生物中，來源于一種叫做preQ0的共同前體。利用比較基因組學(xué)，一種篩選不同生物基因組中特定DNA序列變體的技術(shù)，她在多種細(xì)菌物種中發(fā)現(xiàn)了相似的基因，這些基因位于含有DNA修飾基因的特定基因簇中。比較基因組學(xué)，平臺(tái)的一條腿，因此提供了關(guān)于潛在的新DNA修飾的第一線索。

新的PNAS論文的高級(jí)作者DeCrécy-Lagard和Dedon決定測(cè)試deCrécy-Lagard預(yù)測(cè)這些細(xì)菌將preQ0插入DNA。使用質(zhì)譜法，研究人員可以搜索未知分子并找到具有特定質(zhì)量的分子，Dedon的實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了用preQ0樣結(jié)構(gòu)修飾的DNA，該團(tuán)隊(duì)命名為dADG，在具有修飾基因簇的細(xì)菌中但不在細(xì)菌中缺乏它。

研究人員隨后表明，在他們研究的細(xì)菌類型中，dADG修飾是保護(hù)細(xì)菌細(xì)胞DNA的防御系統(tǒng)的一部分。例如，這些細(xì)菌產(chǎn)生稱為限制酶的酶，其切割入侵病毒的未修飾DNA。Dedon和deCrécy-Lagard現(xiàn)在在其他細(xì)菌中尋找這些DNA修飾的不同表觀遺傳功能。

與New England Biolabs首席科學(xué)官Richard Roberts合作，該團(tuán)隊(duì)正在應(yīng)用其技術(shù)平臺(tái)的第三個(gè)元素來描述新的dADG修飾 - 一種稱為單分子實(shí)時(shí)測(cè)序的特殊DNA測(cè)序(SMRT) )，在Pacific Biosciences制造的機(jī)器上完成。當(dāng)SMRT測(cè)序遇到傳統(tǒng)的四種核苷以外的其他物質(zhì)時(shí)，它常常會(huì)發(fā)出信號(hào)。

“在這個(gè)過程中有一點(diǎn)點(diǎn)打嗝，一點(diǎn)點(diǎn)暫停，如果你正確地調(diào)整軟件，你就可以獲取信號(hào)并知道它在基因組中的位置，”Dedon說。“這可以讓您在整個(gè)基因組中映射DNA修飾。” 這種類型的排序不會(huì)揭示修改是什么，但它確定了它的位置。

通過將SMRT測(cè)序的觀察能力與比較基因組學(xué)的預(yù)測(cè)能力以及使用生物分析檢測(cè)和識(shí)別修飾的能力相結(jié)合，科學(xué)家們可以找到新的修改，找出修改的內(nèi)容，并發(fā)現(xiàn)其作用。

抗生素靶標(biāo)

在人類中，只有少數(shù)已知的DNA修飾，其中大部分在四種傳統(tǒng)DNA堿基被鑒定??后才發(fā)現(xiàn)。“還有更多嗎?這是一個(gè)有趣的問題，”Dedon說。“可能沒有太大的數(shù)字，但我們可以在人類中尋找更多。”

另一方面，在細(xì)菌中，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為可能至少還有十幾種尚未發(fā)現(xiàn)的修飾，甚至更多的是噬菌體(感染細(xì)菌的病毒)。細(xì)菌DNA修飾與人類之間的重要聯(lián)系之一在于人體腸道細(xì)菌 - 腸道微生物組。該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在有證據(jù)表明，腸道微生物組中的細(xì)菌含有dADG，以及他們發(fā)現(xiàn)的另一種細(xì)菌DNA修飾，稱為硫代磷酸酯，他們正在尋找它們是否在人類健康和疾病中發(fā)揮作用。

發(fā)現(xiàn)的任何新修飾也可能成為有用的抗生素目標(biāo)，特別是那些阻止限制酶切割細(xì)菌自身DNA的目標(biāo)。抑制插入DNA修飾的酶的藥物會(huì)破壞防御系統(tǒng)，允許限制酶破壞宿主細(xì)胞的DNA。在一些細(xì)菌中，修飾也可能是表觀遺傳標(biāo)記所必需的，因此也是抗生素靶標(biāo)。

“很多這些酶對(duì)細(xì)菌來說都是獨(dú)一無二的，它們對(duì)于該生物體的存活也是必不可少的，因此它們可能成為良好的抗生素目標(biāo)，”Dedon說。