DNA-Methylierung ist ein biologischer Prozess, bei dem der DNA (Erbmaterial) Methylgruppen hinzugefügt werden. Es wird als epigenetische, dh nicht-genetische Strategie von Prokaryoten verwendet, um eine Reihe von Funktionen wie Genregulation, Reparatur und Schutz vor Virusinvasion unter Verwendung von Restriktionsmodifikationssystemen (RM) auszuführen, die als prokaryotische Immunsysteme fungieren.
Bis vor kurzem waren Studien zur DNA-Methylierung auf Mikroorganismen beschränkt, die in Laborumgebungen kultiviert werden können. Dies hat zu einem schlechten Verständnis seiner Rolle in der mikrobiellen Ökologie geführt. Es ist daher unerlässlich, genomweite epigenetische Studien von Umweltmikroben durchzuführen, insbesondere von solchen, die nicht im Labor kultiviert werden können, sondern nur unter natürlichen Bedingungen gedeihen.
Zu diesem Zweck hat ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Woo Jun Sul von der Chung-Ang University und Dr. Hoon Je Seong (derzeit von Macrogen Inc.), Südkorea, die Unterschiede in den DNA-Methylierungsmustern bei verschiedenen Mitgliedern der Meeresmikrobie untersucht Gemeinschaften im Nordwestpazifik.
Ihre Studie wurde veröffentlicht in Mikrobiom.
„[The] Das eingehende DNA-Methylierungsprojekt begann erst 2014 mit der Veröffentlichung von Long-Read-Sequenzern. Das hat unsere Neugier geweckt und wir wollten es auf die mikrobielle Ökologie anwenden. Daher haben wir einen metagenomischen Ansatz verwendet, um die DNA-Methylierung in einer Gemeinschaft und nicht auf der Ebene eines Organismus zu untersuchen“, sagt Prof. Sul, während er die Motivation hinter ihrer Studie diskutiert.
Die Hektik begann im Jahr 2015, als das groß angelegte Projekt Shipborne Pole-to-Pole Observations (SHIPPO) vom Korea Polar Research Institute initiiert wurde. Es umfasste das Herausfiltern von Mikroorganismen aus Meeresoberflächenproben an 10 verschiedenen Stationen vom pazifischen Nordwesten bis zum Beringmeer.
Das Team extrahierte DNA aus diesen eingefangenen Proben und verwendete Kurz- und Langlese-Sequenzierer, um eine metagenomische Sequenzierung durchzuführen. Diese Sequenzen wurden dann mithilfe von Computeranalysen ausgerichtet, um massive 15.056 virale (v), 252 prokaryotische (pro), 56 riesige virale (gv) und 6 eukaryotische (eu) Metagenom-assemblierte Genome (MAGs) zu erzeugen.
Bei weiteren Analysen stellte das Team überrascht fest, dass fast 95 % der sequenzierten proMAGs zu neuen Taxa gehörten, die nicht mit bestehenden Genomdatenbanken klassifiziert werden konnten. „Dieser Befund zeigt deutlich, wie viel Potenzial diese Technik hat und wie sie neue Einblicke in die Genome von nicht kultivierbaren Meeresmikroben liefern könnte“, erklärt Prof. Sul.
Als nächstes nutzte das Team diesen Ansatz, um die Vielfalt der Enzymklassen der DNA-Methyltransferase (MTase) zu untersuchen, die von den in der SHIPPO-Datenbank identifizierten Genomen exprimiert werden.
Sie fanden heraus, dass MTase II die am häufigsten in diesen Organismen exprimierte MTase-Klasse war. Interessanterweise fehlten den meisten proMAGs aufgrund des Fehlens von Restriktionsenzymen vollständige RM-Systeme. Darüber hinaus enthüllte die Identifizierung methylierter Motive im gesamten Ozeanmikrobiom einzigartige DNA-Methylierungsmuster, die schließlich zur Entdeckung eines ausgeprägten Methylierungsprofils in Alphaproteobakterien führten.
Als nächstes verwendete das Team Einzelmolekül-Echtzeitsequenzierung (SMRT), um Methylierungsmuster in Pelagibacter zu beobachten. Sie entdeckten Heterogenität im Methylierungsprofil der Bakterien sogar auf „Stammebene“. Dies impliziert, dass dynamische zelluläre Ereignisse innerhalb von Pelagibacter in den Oberflächengewässern des nordwestlichen Pazifiks stattfinden.
Eine vergleichende Analyse der bakteriellen und viralen Genome lieferte auch Hinweise auf ihre evolutionären Muster und Wechselwirkungen. Das Team fand das Vorhandensein von ungleichmäßigen Methylierungsmustern im Cand. P. Giovannoni NP1-Genom, was auf mögliche Abwehrmechanismen hindeutet, die von diesem Bakterium verwendet werden.
Diese Erkenntnisse haben bereits den Weg für eine neue Ära der Meta-Epigenomik geebnet, die die Methylierung in Umweltmikroben direkt misst. Das Potenzial, das Epigenom verschiedener Organismen gleichzeitig zu untersuchen, ist weitreichend.
Prof. Sul sagt: „Neben Studien zur Identifizierung von Methylierungsmustern von Stämmen, die eine tatsächliche Pathogenität aufweisen, hilft unsere Studie auch dabei, Zielkandidaten zu entdecken, um Pathogenität in der Umwelt zu verhindern die menschliche Gesundheit gefährden.“
Mehr Informationen:
Hoon Je Seong et al., Marine DNA-Methylierungsmuster sind mit der Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften verbunden und informieren über die Virus-Wirts-Dynamik, Mikrobiom (2022). DOI: 10.1186/s40168-022-01340-w
Zur Verfügung gestellt von der Chung Ang University