胞嘧啶

DNA中的5-甲基胞嘧啶（5mC）是生物学领域基本的表观遗传标记，对调节基因表达至关重要。5mC不仅是多个生物学领域的研究重点，而且在临床上，5mC的异常甲基化模式与包括癌症在内的多种疾病的发生发展密切相关，为疾病的早期诊断和监测提供了有效的生物标志物。对5mC位点的精准检测对基础研究和疾病检测的准确性至关重要。尽管亚硫酸氢盐测序（BS-seq）技术在基础研究和临床上应用广泛，但目前用于5mC检测的常规BS-seq方法有明显缺陷：1）反应时间长，限制了其在临床上的快速检测。2）在高GC DNA区域或高度结构化的DNA（例如线粒体DNA），C到U的转化不完全，导致高背景和假阳性。3）DNA降解严重，对微量的样品如cell-free DNA（cfDNA）的检测带来挑战。4）常规BS处理造成非甲基化的区域优先降解，使得甲基化水平被高估。在临床上能用小量样品进行快速而准确地检测5mC一直是DNA表观遗传领域的一项挑战。而用于RNA m5C 检测的BS-seq同样困难重重。RNA的降解问题尤其严重。RNA的二级结构或稳定的RNA（比如tRNA）导致严重的高背景和假阳性。目前还缺乏准确有效的检测m5C的方法。2024年1月2日，芝加哥大学何川团队在 Nature Biotechnology 期刊发表了题为：Ultrafast bisulfite sequencing detection of 5-methylcytosine in DNA and RNA 的研究论文。该研究开发出了对微量DNA和RNA上的5-甲基胞嘧啶修饰进行快速，准确检测的测序方法——Ultrafast Bisulfite Sequencing（简称为UBS-seq）。何川课题组的戴庆博士根据BS-seq的机理以及由于BS反应而造成的DNA降解机制，发现用亚硫酸氢铵盐代替钠盐可以大大提高BS的效率，C能够在几分钟内完全转化为U而5mC保持不变（图1a），并且由于反应的时间大为缩短，DNA的降解也显著降低（图1b）。UBS-seq测序背景噪音比常规BS-seq降低10倍以上，并且UBS-seq整体转化效率更加一致（图1d）。图1：UBS-seq在DNA样品上的的转化效率UBS-seq不仅可以用于微量mESC基因组的测序，还可用于极少量细胞样品，甚至单细胞，在背景噪音和假阳性等方面要比常规BS-seq低得多。研究团队进一步应用UBS-seq来比对早期结直肠癌病人组和对照组的血液中提取的cfDNA 样品，发现明显的甲基化区别。这些结果显示UBS-seq在寻找5mC作为疾病的早期诊断的指标方面具有广泛的应用前景。另外，由于具有快速且能减少DNA的降解而特别适用于小量样品的特点，UBS-seq在从少量样品中检测已知的5mC疾病指标，以及在临床快速诊断和手术中的实时决策方面，具有独特的优势和应用前景。除了快速准确检测DNA中的5mC外，UBS-seq也可以用于快速准确检测RNA中的m5C。m5C广泛存在于多种类型的RNA中，影响细胞功能，并在多种癌症中发挥重要作用。然而，由于缺乏灵敏、准确的定量测序方法，m5C在不同RNA类型上的位置及化学计量一直有争论。与DNA中的5mC相比，mRNA中m5C的修饰位点以及修饰水平要低得多，因此如何避免常规 BS-seq中所产生的假阳性，降低RNA降解从而精准地检测到m5C位点并定量其修饰比例，一直是 RNA BS-seq 的主要挑战。研究人员进一步优化了UBS-seq 的配方，发现在98度下加热9分钟后，rRNA上所有的C位点的未转化率（背景噪音）仅有1%，而两个已知的m5C位点的未转化率（阳性信号）高达95%（图2a）。UBS-seq在rRNA样品上的准确性大大优于几种已发表的m5C BS-seq 方法（图2b）。随后研究团队将UBS-seq应用于具有复杂二级结构的tRNA，检测并且观察到NSUN2修饰位点的修饰比例能响应NSUN2基因的敲除（图2c），进一步验证了BS-seq的有效性和准确性。研究人员用UBS-seq对HeLa和HEK293T的mRNA进行了测序，发现了近两千多具有保守序列模式的位点（图2d）。随着NSUN2基因敲除，绝大多数m5C位点的修饰比例下降（图2e）。当把NSUN2的基因再转入敲除的细胞后，m5C位点的修饰比例又回升了（图2f）。这些结果证明了m5C UBS-seq 方法不仅非常灵敏高效，而且非常准确。为研究m5C的生物功能提供了有力的工具。图2：UBS-seq在RNA样品上的的转化效率，以及不同类型RNA上m5C位点的检测何川教授的团队近年来相继开发出了SAC-seq用于定量检测m6A，BID-seq用于定量检测等测序新方法，极大的促进了表观转录学领域的发展。随着UBS-seq的发表，将会进一步促进m5C的生物功能的研究，并和SAC-seq，BID-seq一起引领RNA表观转录组领域步入新的阶段。

11月10日，《分子细胞》(Molecular Cell)杂志在线发表了题为Cooperative Action between SALL4A and TET Proteins in Stepwise Oxidation of 5-Methylcytosine 的研究文章，报道了在小鼠胚胎干细胞中，SALL4A蛋白与TET家族双加氧酶共同调节增强子上5-甲基胞嘧啶(5mC)的氧化过程。　　哺乳动物DNA的胞嘧啶甲基化修饰被认为是最稳定的表观遗传修饰，在维持性DNA甲基转移酶的作用下，亲代细胞基因组的DNA甲基化信息经过有丝分裂以半保留复制的方式传递给子代细胞。近年来的研究发现，TET家族蛋白能够将5mC逐步氧化成5-羟甲基胞嘧啶(5hmC)、5-醛基胞嘧啶(5fC)和5-羧基胞嘧啶(5caC)，并走向最终的去甲基化。这种动态变化拓展了DNA甲基化所承载的表观遗传信息的可塑性。在基因组上，5mC的氧化受到严格地控制，在某些基因组区域，5hmC会稳定存在，而在别的基因组区域5hmC只是进一步氧化和去甲基化的中间体。这一选择性事件的分子基础尚不明朗。　　该研究利用稳定同位素标记的细胞培养(SILAC)联合亲和纯化与蛋白质定量质谱技术，发现锌指结构域蛋白SALL4A倾向于结合含有5hmC修饰的DNA。SALL4是早期胚胎发育过程中的一个重要基因，它的突变会导致常染色体显性遗传的Duane-radial ray综合症。Sall4基因敲除的小鼠胚胎在围着床期即停止发育，并很快死亡。该研究发现，在小鼠胚胎干细胞中，SALL4A蛋白主要定位于增强子，其与染色质的结合在很大程度上依赖于TET1蛋白。进一步分析基因组上SALL4A结合位点的胞嘧啶修饰状态发现，这些位点上缺乏稳定的5hmC，却富集了进一步氧化的产物5fC和5caC，提示SALL4A可能促进5hmC的进一步氧化。果然，敲除Sall4导致在原先的SALL4A结合位点上积累较高水平的5hmC，因为敲除Sall4降低了TET2的稳定结合，不利于5hmC的进一步氧化。　　这一工作丰富了对TET家族蛋白调控的DNA氧化和去甲基化过程的理解，并提出了5mC的协同性递进氧化概念。促进了对DNA甲基化的动态性及其在胚胎干细胞功能及重编程中作用的理解。　　中国科学院生物物理研究所研究员朱冰和副研究员张珠强为本文的共同通讯作者。朱冰课题组熊俊和张珠强为本文的并列第一作者。同济大学教授高绍荣和博士陈嘉瑜，北京生命科学研究所研究员陈涉、丁小军和许雅丽，中科院生态环境研究中心研究员汪海林和博士黄华，中科院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所研究员徐国良，日本熊本大学教授Ryuichi Nishinakamura也参与了该项研究。该研究得到国家自然科学基金委、科技部、中科院战略性先导专项和美国霍华德?休斯医学研究所国际青年科学家项目的资助。图示：SALL4A促进由TET1和TET2介导的5mC氧化过程

日本北海道大学的大场康弘（Yasuhiro Oba）和合作者研究发现，组成DNA和RNA必不可少的嘧啶碱基可能是由富碳陨石带来地球的。相关研究4月26日发表于《自然—通讯》。 组成DNA和RNA离不开两类化学成分，也称碱基。这两类化学成分是嘧啶和嘌呤，其中嘧啶包括胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶，嘌呤包括鸟嘌呤、腺嘌呤。 目前为止，只有嘌呤碱基和尿嘧啶在陨石中发现过。然而，研究人员在模拟星际介质——恒星之间的空间——条件的实验中发现了嘧啶，有人据此推测它们可能是通过陨石抵达地球的。 大场康弘和同事使用了专门针对碱基进行优化的小规模量化的先进分析技术，分析了3颗富碳陨石：默奇森陨石、默里陨石和塔吉什湖陨石。 除了之前在陨石中已检测到的化合物，如鸟嘌呤、腺嘌呤、尿嘧啶之外，他们还首次发现了达到十亿分比浓度的各种嘧啶碱基，如胞嘧啶和胸腺嘧啶。 这些化合物存在的浓度与模拟太阳系形成前条件的实验预测的差不多。 作者认为，研究结果表明，这类化合物可能是在星际介质中经由光化学反应产生的，随后又在太阳系形成的过程中融入了小行星。这些化合物最终通过陨石抵达地球，对于早期生命出现的遗传学功能可能起到了一定作用。