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上海交大破译DNA磷硫酰化修饰基因组分布图谱

摘要 : 上海交通大学生命科学技术学院和微生物代谢国家重点实验室合作,首次获得了精确的细菌基因组磷硫酰化修饰位点分布图谱,发现DNA磷硫酰化修饰-限制系统不同于经典的甲基化修饰-限制系统,具有特殊的作用机制。相关文章发表于2014年6月5日的《Nature Communications》。

上海交通大学生命科学技术学院和微生物代谢国家重点实验室合作,首次获得了精确的细菌基因组磷硫酰化修饰位点分布图谱,发现DNA磷硫酰化修饰-限制系统不同于经典的甲基化修饰-限制系统,具有特殊的作用机制。相关文章发表于2014年6月5日的《Nature Communications》。

 DNA作为生命的遗传物质,是生命科学领域的研究焦点之一。由碳、氢、氧、氮和磷五种元素所构成的四种核苷酸序列编码着自然界生物的遗传现象。对DNA结构和功能的每一次全新认知,都是生命科学发展的里程碑。课题组所属邓子新研究团队在前期工作中发现了DNA上存在一种全新的修饰-磷硫酰化修饰。这一现象被国际同行公认为“迄今为止在DNA骨架上发现的第一个天然修饰”,是目前在DNA骨架上发现的第六种元素。多年来,围绕这一现象的探索已逐步形成了一个全新的研究领域,是对DNA结构理论的又一原创贡献,具有重大的基础理论意义。

DNA磷硫酰化修饰广泛存在于细菌中,与细菌的自我防卫机制紧密相关,然而其序列特异性及在细菌基因组中的分布情况尚无报道。本工作以大肠杆菌Escherichia coliB7A为研究对象,建立了单分子实时测序(single molecule real-time sequencing,SMRT)和碘切割依赖的深度测序(deep sequencing of iodine-induced cleavage at PT,ICDS)两种新颖的技术,测定了基因组水平DNA磷硫酰化修饰位点,首次获得了精确的细菌基因组磷硫酰化修饰位点分布图谱。两种测序方法相互补充,测得修饰位点具有保守的GpsAAC/GpsTTC短序列特征。而大肠杆菌中同样存在一个DNA磷硫酰化修饰-限制系统,并且其基因组中只有部分的GAAC/GTTC位点被DNA磷硫酰化修饰酶识别修饰。这一发现表明,DNA磷硫酰化修饰-限制系统不同于经典的甲基化修饰-限制系统,具有特殊的作用机制。

大肠杆菌DNA磷硫酰化修饰基因组分布图谱的绘制将极大地推动DNA磷硫酰化的生物学功能研究,对深入理解并揭示这一特殊表观遗传学修饰的生物化学过程提供了重要依据。上海交通大学微生物代谢国家重点实验室由德林教授研究小组曹博、成秋香博士、郑晓青参与了该项研究。课题组联合美国麻省理工学院、武汉大学和美国太平洋生物科学公司等国际研究小组协同攻关取得的研究成果。该研究得到了国家重点基础研究发展计划项目、国家自然科学基金项目以及上海市浦江人才计划项目的支持。

原文摘要:

Genomic mapping of phosphorothioates reveals partial modification of short consensus sequences

Bo Cao, Chao Chen, Michael S. DeMott, Qiuxiang Cheng, Tyson A. Clark, Xiaolin Xiong,Xiaoqing Zheng, Vincent Butty, Stuart S. Levine, George Yuan, Matthew Boitano, Khai Luong, Yi Song, Xiufen Zhou, Zixin Deng, Stephen W. Turner, Jonas Korlach, Delin You,Lianrong Wang, Shi Chen et al.

Bacterial phosphorothioate (PT) DNA modifications are incorporated by Dnd proteins A-E and often function with DndF-H as a restriction-modification (R-M) system, as in Escherichia coli B7A. However, bacteria such as Vibrio cyclitrophicus FF75 lack dndF-H, which points to other PT functions. Here we report two novel, orthogonal technologies to map PTs across the genomes of B7A and FF75 with >90% agreement: single molecule, real-time sequencing and deep sequencing of iodine-induced cleavage at PT (ICDS). In B7A, we detect PT on both strands of GpsAAC/GpsTTC motifs, but with only 12% of 40,701 possible sites modified. In contrast, PT in FF75 occurs as a single-strand modification at CpsCA, again with only 14% of 160,541 sites modified. Single-molecule analysis indicates that modification could be partial at any particular genomic site even with active restriction by DndF-H, with direct interaction of modification proteins with GAAC/GTTC sites demonstrated with oligonucleotides. These results point to highly unusual target selection by PT-modification proteins and rule out known R-M mechanisms.

来源: 上海交通大学 浏览次数:145

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