Учёные разработали новый метод анализа эпигенетики бактерий
Учёные из Медицинской школы Икан на горе Синай разработали новый метод для более точного анализа бактериальных популяций, позволяющий выявить эпигенетические механизмы, влияющие на вирулентность. Этот метод обещает стать мощным инструментом в борьбе с растущей проблемой устойчивости бактериальных патогенов к антибиотикам. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications и проведено в сотрудничестве с Медицинским центром Лангон Нью-Йоркского университета и Женской больницей Бригам Гарвардской медицинской школы.
Информационное содержание генетического кода в ДНК не ограничивается первичной последовательностью нуклеотидов A, G, C и T. Отдельные основания ДНК могут быть химически модифицированы, что имеет значительные функциональные последствия. В бактериальном царстве наиболее распространены модификации оснований в форме метилирования ДНК, в частности, остатков аденина и цитозина. Помимо участия в защите хозяина, появляется всё больше свидетельств, что эти модификации также играют важную роль в регуляции экспрессии генов, вирулентности и устойчивости к антибиотикам.
Исследовательская группа использовала систему PacBio RS II от Pacific Biosciences, которая может собирать данные о модификациях оснований одновременно с секвенированием ДНК. Секвенирование в реальном времени на одной молекуле от PacBio позволяет детектировать N6-метиладенин и 4-метилцитозин — два основных типа модификаций ДНК, составляющих бактериальный метиллом. Однако существующие методы изучения бактериальных метилломов полагаются на консенсус на уровне популяции и лишены разрешения на уровне одной клетки, необходимого для наблюдения эпигенетической гетерогенности.
«Мы создали метод для детекции и определения фаз метилирования ДНК на уровне одной молекулы. Мы обнаружили, что в типичной клональной бактериальной популяции, которая с помощью обычных методов считается однородной, существуют эпигенетически различные субпопуляции с разными паттернами экспрессии генов», — сказал Ган Фан, доктор философии, доцент генетики и геномики в Медицинской школе Икан и старший автор исследования.
Исследователи изучили семь бактериальных штаммов, продемонстрировав, что новый метод выявляет различные типы эпигенетической гетерогенности. Для Helicobacter pylori — патогенной бактерии, колонизирующей более 40% населения мира и ассоциированной с раком желудка, — команда обнаружила, что эпигенетическая гетерогенность может быстро возникать при делении одной клетки, и разные субпопуляции с различными паттернами метилирования имеют различные паттерны экспрессии генов. Это могло способствовать росту устойчивости Helicobacter pylori к антибиотикам.
«Применение этого нового метода позволит провести более полную характеристику функций метилирования ДНК и их влияния на физиологию бактерий. Разрешение нуклеотидных модификаций на уровне одной молекулы и одного нуклеотида, особенно в интеграции с другими данными на уровне одной молекулы или клетки, такими как экспрессия РНК и белка, поможет выявить регуляторные взаимосвязи, управляющие фенотипами более высокого порядка, такими как лекарственная устойчивость», — сказал Эрик Шац, доктор философии, основатель Института Икан и профессор геномики. — «Разработанный нами подход также можно использовать для анализа ДНК-вирусов и митохондриальной ДНК человека, для которых характерна значительная эпигенетическая гетерогенность».