氟胞嘧啶恩曲他滨杂质

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

波谱学是物理学提供给化学、生物、医学和材料科学等研究物质的一种从原子分子水平的结构和动力学性质等到宏观行为的非常有效的工具。从有机分子、生物大分子到蛋白质的结构；从农药、医药的药理特性，到活体检测、医学诊断、脑功能成像等，都属于波谱学研究范围。《波谱学杂志》是国内磁共振波谱领域唯一的学术性期刊，由中国物理学会波谱学专业委员会和中国科学院武汉物理与数学研究所共同主办，创刊于1983年6月，得到诺贝尔奖获得者Ernst等著名科学家的支持。本刊前任主编叶朝辉院士是我国著名的波谱学家，现任主编由中国科学院武汉物理与数学研究所所长、波谱与原子分子物理国家重点实验室主任刘买利担任。《波谱学杂志》为国产波谱事业的发展做出了不可磨灭的贡献。在2021年度北京波谱年会上，仪器信息网特别采访到了《波谱学杂志》副主编，中科院精密测量科学与技术研究院（原武汉物理与数学所）蒋滨研究员，他就近年来国产波谱的发展情况、技术难题与解决方向，当下波谱技术的研究热点与技术提升需求，以及《波谱学杂志》推动国产波谱行业发展这几个方面提出了自己的一些看法。近年来，国产波谱行业发展迅猛，蒋滨从科研发展、产业发展以及波谱行业从业人数增长这三个方面介绍了国产波谱行业的发展情况。从科研角度，国内发表核磁共振相关的SCI论文，从2000年的7%左右上升到2020年的28%左右，《波谱学杂志》收稿质量有明显提升，影响因子也在不断攀升。从产业发展角度，拥有自主研发技术的国产波谱仪器公司，如主做高场核磁波谱仪的中科牛津公司，主做电子顺磁谱仪的国仪量子公司，主做低场核磁的苏州纽迈公司，近年来发展迅猛。另外，做临床核磁共振成像仪的如联影医疗和东软医疗等公司，产品也可以和国外知名厂商相媲美。关于波谱行业的从业人数，其实从近年来文章数量的增长、国产波谱仪器销量的增长、国内商业公司的人才引进等情况都说明了波谱行业从业人数的大幅增长。波谱行业发展态势良好，离不开技术的不断突破，但依旧有技术难题仍未能攻克，蒋滨提出了当前三大技术难题：磁体、探头、原材料。磁体形成的高场场强仍无法满足更高的要求；先进探头如超低温探头、高速魔角旋转探头，国内也比较欠缺相关技术；原材料如超导线材及高端芯片仍受制于人。关于如何解决，他提出了建议：国产仪器公司自身要加大科研投入，与多方合作，通过多学科交叉融合的合作研究共同解决核磁人面临的问题；波谱从业人员也要勇于使用国产仪器、积极反馈，给国产仪器公司以支持。那么，当下波谱仪器技术的研究热点是什么呢？蒋滨介绍到，与仪器相关最大的研究热点：样品极化技术。核磁共振的短板是灵敏度低，常规解决方法是提高磁场强度或采用超低温探头技术，但成本昂贵，发展已经接近瓶颈。另外的方法就是提高样品的极化度，现在比较主流的就是动态核极化技术(DNP)和气体核自旋交换光抽运技术(SEOP)这两个技术，两者都是当下的研究热点。很有意思的是，被问及对当前技术的提升需求时，他提出了一个口号“更高更快更强”，希望核磁共振时空分辨率更高，实验速度更快，磁场更强，对于分子量较大的蛋白质三维结构也能进行解析，以及谱峰归属自动化等。蒋滨说：“我们对技术提升的需求是永无止境的！”最后，蒋滨介绍了关于《波谱学杂志》助力国产波谱行业发展所做的努力，主要是自媒体宣传、杂志专栏宣传及做好培训工作这三方面。在微信公众号上宣传波谱仪器公司的仪器动态；杂志期刊特别设置了仪器硬件相关内容专刊；与中科院磁共振联盟、中科院精密测量院、中科大、中科大昆明植物所，以及国仪量子公司等联合主办核磁共振波谱培训班、电子顺磁培训班等，讲解磁共振基本原理、技术、国产仪器的操作等。以下为详细视频：