一種研究復(fù)制后 DNA 特定變化的新方法已作為技術(shù)報(bào)告發(fā)表在Nature Cell Biology上。研究人員開發(fā)了一種高度靈敏、基于定量質(zhì)譜的方法，稱為 iDEMS(通過 EdU 標(biāo)記質(zhì)譜法分離 DNA)。

“我們工作的新穎之處在于，我們沒有使用該領(lǐng)域廣泛使用的測序方法，而是使用質(zhì)譜法，這是這種方法首次用于測量純化、復(fù)制的 DNA 上的 DNA 修飾，”博士說. Stewart-Morgan，該報(bào)告的共同第一作者，來自哥本哈根大學(xué)諾和諾德基金會(huì)蛋白質(zhì)研究中心(CPR)的Groth實(shí)驗(yàn)室。

這種獨(dú)特的方法是與 MRC 倫敦醫(yī)學(xué)科學(xué)研究所 (LMS) 的 Hajkova 實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合項(xiàng)目的結(jié)果。“在 Groth 實(shí)驗(yàn)室，我們擁有復(fù)制方面的專業(yè)知識(shí)，Hajkova 實(shí)驗(yàn)室擁有通過質(zhì)譜法研究 DNA 甲基化的專業(yè)知識(shí)。我認(rèn)為這種多學(xué)科合作是該項(xiàng)目如此成功的很大一部分原因，”Stewart-Morgan 博士說解釋。“我們使用 iDEMS 的研究結(jié)果是明確的，并為未來的研究開辟了新的途徑。”

DNA修飾和細(xì)胞穩(wěn)定性

基因組是在細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的整套 DNA 指令。實(shí)際上，生物體中的所有細(xì)胞都包含相同的遺傳信息——但表達(dá)哪些基因取決于細(xì)胞的功能。這種細(xì)胞特異性基因表達(dá)受細(xì)胞的表觀基因組調(diào)節(jié)，該表觀基因組由與 DNA 結(jié)合的蛋白質(zhì)以及對 DNA 的直接化學(xué)修飾組成。

最重要的表觀遺傳調(diào)節(jié)因子之一是 DNA 甲基化——一種化學(xué)標(biāo)記，可以關(guān)閉不應(yīng)表達(dá)的基因組區(qū)域。這些標(biāo)記的模式對于維持細(xì)胞的穩(wěn)定性和特性非常重要：例如，肝細(xì)胞中的 DNA 甲基化模式與血細(xì)胞中的 DNA 甲基化模式不同。

當(dāng) DNA 在細(xì)胞分裂過程中復(fù)制時(shí)，與 DNA 相關(guān)的表觀遺傳標(biāo)記(包括 DNA 甲基化)會(huì)被稀釋。新創(chuàng)建的 DNA 鏈需要重新建立甲基化水平和模式，以維持對基因表達(dá)、基因組穩(wěn)定性和細(xì)胞身份的表觀遺傳記憶的控制。

然而，這個(gè)過程的大部分內(nèi)容是未知的，DNA 甲基化的丟失是分裂多次的細(xì)胞的一個(gè)共同特征，例如增殖能力很強(qiáng)的癌細(xì)胞和在人的一生中多次復(fù)制的衰老細(xì)胞。近年來，幾個(gè)小組嘗試使用測序方法研究這一過程，但復(fù)制后甲基化維持的確切動(dòng)力學(xué)仍不清楚。

甲基化重建

使用 iDEMS，研究人員發(fā)現(xiàn) DNA 甲基化水平在復(fù)制后穩(wěn)定增加，4 小時(shí)后復(fù)制 DNA 和基因組 DNA 的水平相等。這表明該過程以穩(wěn)定、緩慢的速度進(jìn)行。然而，它被細(xì)胞分裂超過了。

“隨著時(shí)間的推移，細(xì)胞在復(fù)制后沒有足夠長的時(shí)間來重新建立它們的甲基化，基因組的甲基化最終被稀釋。這是第一次非常清晰的甲基化重建動(dòng)力學(xué)被證明。此外，我們看到DNA 甲基化水平的絕對量化，使我們能夠區(qū)分哪些甲基化標(biāo)記是新建立的。這使我們對我們的動(dòng)力學(xué)測量充滿信心，”Stewart-Morgan 博士報(bào)告說。

第二種化學(xué)標(biāo)記

研究人員還使用 iDEMS 研究了第二個(gè)標(biāo)記——DNA 羥甲基化——這是一種比甲基化更為罕見的基因組標(biāo)記。Stewart-Morgan 博士說，他們的結(jié)果證實(shí)了早期的研究：“我們發(fā)現(xiàn)一條 DNA 鏈，即模板或‘親本’鏈，總是比另一條‘子鏈’具有更多的羥甲基化，支持早期的工作表明該標(biāo)記區(qū)分基于年齡的 DNA 鏈，”她說。

“然而，我們還發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)細(xì)胞周期中，親本鏈和子鏈之間的羥甲基化水平并不相等。這引發(fā)了新的問題，即細(xì)胞如何利用鏈之間的這種差異，例如在 DNA 過程中修理。”

iDEMS 的潛力

通過直接量化復(fù)制 DNA 上的 DNA 修飾，iDEMS 解析了 DNA 復(fù)制后的 DNA 甲基化和羥甲基化動(dòng)力學(xué)。“iDEMS 是一種動(dòng)態(tài)且信息豐富的工具，用于解決表觀基因組維護(hù)和 DNA 修飾生物學(xué)中的重要問題，”Stewart-Morgan 博士說。

展望未來，iDEMS 將有助于分析不同細(xì)胞環(huán)境(包括衰老和癌癥進(jìn)化)中的甲基化和羥甲基化動(dòng)態(tài)。與測序數(shù)據(jù)相比，質(zhì)譜法提供了一種簡單、快速的讀數(shù)，因此 iDEMS 在效率至關(guān)重要的情況下很有用，例如在醫(yī)療環(huán)境和藥物發(fā)現(xiàn)研究中。

“我們的結(jié)果強(qiáng)調(diào)了通過多個(gè)鏡頭理解生物學(xué)的新方法的重要性。iDEMS 非常靈活，因?yàn)樗梢耘c分子生物學(xué)中使用的其他已建立的方法相結(jié)合來觀察表觀基因組。因此，這種方法增加了一個(gè)重要的工具研究表觀基因組穩(wěn)定性的技術(shù)套件，”Stewart-Morgan 博士總結(jié)道。

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