DNA的字母表有多大?

新的测序技术正在改变表观遗传学研究，并可以极大地提高对癌症、胚胎形成、干细胞和大脑功能的理解。

由于一种新的DNA测序方法，导致某些基因打开或关闭的机制，被认为在癌症发展和干细胞分化中发挥作用，现在可以准确地检测和研究。

剑桥Epigenetix公司开发的这项技术，通过检测“额外的”DNA碱基，帮助研究人员了解DNA的改变，而这些碱基到目前为止还不能确定。

有四种标准DNA碱基(鸟嘌呤、胞嘧啶、腺嘌呤和胸腺嘧啶)，它们的排列方式决定了基因组的组成。除了G、C、A和T，还有一些小的化学修饰，或表观遗传标记，它们会影响DNA序列的解释，并控制某些基因的打开或关闭。对这些标记及其如何影响基因活性的研究被称为表观遗传学。

研究最多的标志是5-甲基胞嘧啶(5mC)，它是由甲基分子附着在DNA胞嘧啶碱基上形成的，这一过程被称为甲基化。2009年，在人类DNA中发现了“第六个”碱基，5-羟甲基胞嘧啶(5hmC)，随后还发现了两个进一步修饰的DNA碱基，5-甲酰胞嘧啶(5fC)和5-羧基胞嘧啶(5caC)。

剑桥大学化学系的尚卡尔·巴拉苏布拉曼尼亚教授于2012年创立了剑桥表观遗传学研究公司，开发创新的表观遗传学研究工具，可以识别、解码并帮助阐明“额外”DNA碱基的功能。

标准DNA测序方法通过读取四种标准碱基的特征来工作，但不能检测胞嘧啶碱基是否已经甲基化。为了解决这一缺点，研究人员开发了一种称为亚硫酸氢盐测序的方法，通过添加亚硫酸氢盐试剂将非甲基化的胞嘧啶碱基转化为尿嘧啶(RNA的亚基之一)来检测甲基化。通过测序亚硫酸盐处理过的DNA，研究人员可以确定哪些胞嘧啶碱基最初是甲基化的，哪些不是。

然而，由于5hmC和5mC都对亚硫酸氢盐处理具有抗性，因此使用传统的亚硫酸氢盐测序无法区分这两个表观遗传标记。

这是一个关键的区别，因为5mC和5hmC被认为具有完全不同的生理功能。对基因表达和甲基化之间联系的研究表明，在某些位点，甲基化会导致基因关闭和沉默，而羟甲基化则会导致基因打开。

巴拉苏布拉曼尼亚教授说:“从功能上讲，它们有着截然不同的含义，但我们还无法用典型的测序方法来区分它们之间的区别。”

在发现了第5和第6个碱基之后，血液学系的Tony Green教授鼓励Balasubramanian教授考虑一种新的测序方法来检测这些修饰。巴拉苏布拉曼尼亚和他的博士生迈克尔·布斯共同发明了这样一种方法，称为氧化亚硫酸氢盐测序。

氧化亚硫酸氢盐测序允许研究人员在单碱基分辨率下定量测量5mC和5hmC，从而实现更准确的DNA测序。

该技术通过化学氧化5hmC到5fC，它像胞嘧啶一样易受亚硫酸氢盐处理。一旦亚硫酸氢盐氧化反应完成，5hmC和胞嘧啶将以胸腺嘧啶的形式出现在序列中，因此序列中仅剩下的胞嘧啶碱基是真正的5mC。

“在一个反应中，你可以得到甲基化的准确表示，而不必考虑羟甲基C的‘污染’，”巴拉苏布拉曼尼亚教授说。“我们的研究小组和剑桥Epigenetix正在做的是使这种能力超越基因字母表的标准四个字母，以一种受益于‘下一代’带来的所有一般创新的方式。测序技术，例如Solexa/Illumina方法。”

研究表明，这些表观遗传标记对DNA功能的动态调节对正常胎儿发育至关重要，并在癌症、神经系统疾病和其他疾病中发挥重要作用。此外，人们认为DNA修饰在干细胞重编程中起着核心作用。

“对DNA功能的重新编程是所有生命系统的基础，”巴拉苏布拉曼尼亚教授说。“值得注意的是，这么长时间以来，我们都不知道人类DNA中的这些其他修改。如果自2009年以来我们又发现了四个基地，那么我们凭什么说没有其他基地了呢?”