芝加哥大學何川教授領導的研究團隊近日繪製了一張人體組織的DNA 5-羥甲基胞嘧啶（5hmC）圖譜，揭示了這種修飾在組織發育中的作用，同時有望作為多種人類疾病的診斷和治療標誌物。
圖：5hmC在不同組織中的分布圖（圖片來自原文）
這項成果於12月2日發表在《Nature Communications》雜誌上。
之前的研究發現，5hmC修飾與基因轉錄有關，並常作為生物標誌物來研究哺乳動物發育和人類疾病中DNA甲基化的動態轉化。許多研究已將5hmC的整體變化與不同的發育過程和疾病進程相關聯。然而，有關5hmC的確切功能，目前還說不清楚。
為了進一步研究5hmC的功能，研究人員試圖建立人體不同組織類型的全基因組5hmC分布圖，以便確定其如何參與轉錄活性和組織特異性。他們利用新一代測序（NGS）來鑑定5hmC在19種人體組織中的分布。他們發現，5hmC主要集中在組織特異性的基因體和增強子上。
芝加哥大學化學系教授何川表示：「儘管之前的研究表明5hmC可以作為疾病診斷和預後的出色標誌物，但缺乏全身組織圖限制了我們對這種修飾及其組織特異性的整體了解。新的圖譜證實5hmC可作為基因體和增強子的激活標誌物，這對於將來癌症的早期診斷和慢性病的監控很重要。」
過去在研究5hmC時大多採用晶片技術，這種技術缺乏全基因組範圍的覆蓋度，或者僅僅關注有限的組織類型。在這項研究中，研究人員開發出一種靈敏的化學標記和pull-down方法，稱為5hmC-Seal，之後開展新一代測序。通過與基因表達和順式調控元件數據相比較，他們評估了5hmC的調控潛力和組織特異性。
他們此次採集的新鮮冷凍組織樣本代表了19種樣本類型，來自10個主要的器官系統，包括神經、心血管、消化、生殖、內分泌、呼吸、泌尿、外皮、骨骼和淋巴器官系統。在總共96個標本中，79個樣本取自非癌變器官，其餘17個則來自腫瘤切除後的癌旁正常組織。
研究人員在分析5hmC-Seal數據後發現，不同類型組織中的HOXA基因簇有著高度可變的5hmC水平。峰的位置和富集水平有所不同，特別是在親緣關係較遠的組織中。同時，對於相同組織類型的供體樣本，HOXA基因簇中的5hmC富集高度一致。這些數據證實了全基因組5hmC圖譜的準確性和可重複性。
之後，他們確定了各種人體組織中5hmC分布的幾個共同特徵。例如，他們發現5hmC峰主要集中在外顯子和啟動子區域，而較少出現在基因間區域。這表明，儘管組織身份不同，但5hmC始終分布在已知的基因組位置。
總的來說，這項研究報告了多種人體組織中5hmC的詳細分布圖。研究人員證實，在19種不同的組織類型中，TET催化的5mC氧化在組織特異性的基因和增強子中發揮著重要作用。
「本文展示的人體組織5hmC圖譜代表了至關重要的寶貴資源，可與人體組織的5mC分布、染色質開放性和各種組蛋白標記的已知數據整合在一起，以便進一步了解表觀基因組調控在人類發育和疾病進展中的作用，」他們在文中寫道。
參考文獻
A human tissue map of 5-hydroxymethylcytosines exhibits tissue specificity through gene and enhancer modulation