Oxford Nanopore Technologies(ONT)全基因組甲基化測序的介紹與應(yīng)用
DNA甲基化作為表觀遺傳調(diào)控的核心機(jī)制，通過不改變DNA序列的方式影響基因功能，在發(fā)育、疾病等生命過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。Oxford Nanopore Technologies（ONT）推出的三代全基因組甲基化測序技術(shù)，基于納米孔電信號實(shí)現(xiàn)單分子實(shí)時(shí)檢測，無需化學(xué)處理即可同步解析5mC和6mA修飾。從R9到R10芯片的升級顯著提升了技術(shù)性能,已成功應(yīng)用于人類疾病診斷、作物表觀育種和微生物-噬菌體互作研究等。該技術(shù)為揭示跨物種表觀遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了強(qiáng)大工具，推動(dòng)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)和合成生物學(xué)發(fā)展。
ONT R10芯片技術(shù)核心原理與創(chuàng)新優(yōu)勢如下：
應(yīng)用場景
疾病研究與診斷：研究疾病中基因甲基化模式及變化，探索疾病發(fā)生和發(fā)展的機(jī)制。
微生物學(xué)研究：研究細(xì)菌甲基化修飾，了解其在基因表達(dá)調(diào)控和病原性中的作用以及噬菌體與宿主相互作用。
進(jìn)化與生態(tài)學(xué)研究：物種間甲基化比較，研究進(jìn)化關(guān)系和生態(tài)適應(yīng)性；分析微生物在不同環(huán)境條件下的甲基化變化，研究其適應(yīng)機(jī)制。
法醫(yī)學(xué)應(yīng)用：利用甲基化模式的個(gè)體差異，進(jìn)行個(gè)體識別和親子鑒定。
農(nóng)業(yè)與植物研究：研究作物在不同環(huán)境條件下的甲基化變化，指導(dǎo)作物改良育種或應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制。
藥物研發(fā)與毒理學(xué)：通過甲基化分析揭示與藥物反應(yīng)相關(guān)的基因和通路；研究藥物和環(huán)境毒素對基因甲基化的影響，評估其毒性。
不同DNA甲基化測序技術(shù)比較：
經(jīng)典案例
人類研究：高精度甲基化檢測驗(yàn)證
期刊：Genome Biology 影響因子：IF10.1 樣本：人全血
Sigurpalsdottir等（2024）對7179例人全血樣本進(jìn)行ONT R10測序，并與Illumina EPIC芯片和WGBS結(jié)果進(jìn)行比較。
關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：
微生物學(xué)：噬菌體-宿主互作機(jī)制
期刊：PLoS Pathog 影響因子：IF5.5 樣本：痤瘡丙酸桿菌
Knödlseder等（2022）通過ONT R10測序揭示痤瘡桿菌R-M系統(tǒng)IIIB的6mA修飾調(diào)控噬菌體感染特異性。
關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)
植物研究：深度學(xué)習(xí)賦能甲基化解析
期刊：Nature Communications 影響因子：IF14.7 樣本：擬南芥、水稻
Ni等（2021）開發(fā)DeepSignal-plant工具，基于ONT數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)擬南芥/水稻全基因組5mC檢測。
關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：
c-d. Circos圖顯示僅通過Nanopore測序在擬南芥（c）和水稻（d）基因組中檢測到的胞嘧啶數(shù)量。從內(nèi)到外圈層：CpG（藍(lán)色）、CHG（綠色）、CHH（紅色）。
參考文獻(xiàn)：
ONT R10芯片技術(shù)核心原理與創(chuàng)新優(yōu)勢如下：
- 納米孔電信號識別技術(shù) DNA雙鏈通過馬達(dá)蛋白解旋后，單鏈以恒定速率通過R10納米孔。R10芯片采用雙讀取頭設(shè)計(jì)，可同時(shí)捕獲同一堿基的兩次電信號，顯著提升甲基化位點(diǎn)的識別精度（單堿基分辨率達(dá)99.8%）。甲基化修飾（如5mC、6mA）會(huì)改變堿基空間構(gòu)象，導(dǎo)致特征性電信號偏移，通過遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）算法實(shí)時(shí)解析信號差異，直接判定修飾位點(diǎn)。
- R10芯片的技術(shù)突破
- 準(zhǔn)確性提升：R10芯片的測序一致性準(zhǔn)確率>99.9%，在CpG位點(diǎn)甲基化檢測中與Illumina BS-seq的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.95（p＜0.001），尤其在低甲基化區(qū)域（＜20%）表現(xiàn)更優(yōu)。
- 讀長優(yōu)化：支持平均讀長＞50 kb，可跨越高度重復(fù)序列（如著絲粒、轉(zhuǎn)座子），解決傳統(tǒng)短讀長測序的組裝缺口問題。
- 修飾兼容性：單次運(yùn)行同步檢測5mC、6mA、5hmC等12種表觀修飾，無需亞硫酸鹽處理或抗體富集，避免DNA降解。
ONT全基因組甲基化測序原理示意圖
應(yīng)用場景
疾病研究與診斷：研究疾病中基因甲基化模式及變化，探索疾病發(fā)生和發(fā)展的機(jī)制。
微生物學(xué)研究：研究細(xì)菌甲基化修飾，了解其在基因表達(dá)調(diào)控和病原性中的作用以及噬菌體與宿主相互作用。
進(jìn)化與生態(tài)學(xué)研究：物種間甲基化比較，研究進(jìn)化關(guān)系和生態(tài)適應(yīng)性；分析微生物在不同環(huán)境條件下的甲基化變化，研究其適應(yīng)機(jī)制。
法醫(yī)學(xué)應(yīng)用：利用甲基化模式的個(gè)體差異，進(jìn)行個(gè)體識別和親子鑒定。
農(nóng)業(yè)與植物研究：研究作物在不同環(huán)境條件下的甲基化變化，指導(dǎo)作物改良育種或應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制。
藥物研發(fā)與毒理學(xué)：通過甲基化分析揭示與藥物反應(yīng)相關(guān)的基因和通路；研究藥物和環(huán)境毒素對基因甲基化的影響，評估其毒性。
不同DNA甲基化測序技術(shù)比較：
經(jīng)典案例
人類研究：高精度甲基化檢測驗(yàn)證
期刊：Genome Biology 影響因子：IF10.1 樣本：人全血
Sigurpalsdottir等（2024）對7179例人全血樣本進(jìn)行ONT R10測序，并與Illumina EPIC芯片和WGBS結(jié)果進(jìn)行比較。
關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：
- 靈敏度：ONT檢測到98.3%的已知CpG位點(diǎn)，新增12%低甲基化區(qū)域（＜5%）。
- 一致性：在腫瘤樣本中，ONT與BS-seq的差異甲基化區(qū)域（DMR）重疊達(dá)89%，且可識別長片段一致性甲基化模式（如印記基因H19/IGF2）。
ONT納米孔測序在高覆蓋度樣本中的CpG甲基化方面表現(xiàn)尤為出色
微生物學(xué)：噬菌體-宿主互作機(jī)制
期刊：PLoS Pathog 影響因子：IF5.5 樣本：痤瘡丙酸桿菌
Knödlseder等（2022）通過ONT R10測序揭示痤瘡桿菌R-M系統(tǒng)IIIB的6mA修飾調(diào)控噬菌體感染特異性。
關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)
- 動(dòng)態(tài)追蹤：長讀長捕獲噬菌體基因組AGCAGY基序的甲基化傳播過程，證實(shí)表觀遺傳印跡機(jī)制。
- 應(yīng)用潛力：指導(dǎo)工程化噬菌體靶向清除致病菌株，保留益生菌群。
ONT測序揭示C. acnes的R-M系統(tǒng)IIIB影響PAD20噬菌體感染特性并保護(hù)細(xì)菌免裂解
植物研究：深度學(xué)習(xí)賦能甲基化解析
期刊：Nature Communications 影響因子：IF14.7 樣本：擬南芥、水稻
Ni等（2021）開發(fā)DeepSignal-plant工具，基于ONT數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)擬南芥/水稻全基因組5mC檢測。
關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：
- 覆蓋度：ONT檢測到BS-seq遺漏的32% CHH位點(diǎn)（主要位于轉(zhuǎn)座子富集區(qū)）。
- 分辨率：Circos圖譜顯示ONT可解析端粒區(qū)域甲基化梯度，指導(dǎo)抗旱基因篩選。
ONT測序比BS測序檢測到更多的甲基化位點(diǎn)
a-b. 基因組瀏覽器視圖顯示擬南芥（a）56 kb區(qū)域和水稻（b）15 kb區(qū)域的測序覆蓋度和甲基化狀態(tài)。藍(lán)色陰影區(qū)域表示亞硫酸鹽測序無法比對的缺口。c-d. Circos圖顯示僅通過Nanopore測序在擬南芥（c）和水稻（d）基因組中檢測到的胞嘧啶數(shù)量。從內(nèi)到外圈層：CpG（藍(lán)色）、CHG（綠色）、CHH（紅色）。
參考文獻(xiàn)：
- Gouil Q, Keniry A. Latest techniques to study DNA methylation. Essays Biochem. 2019 Dec 20;63(6):639-648.
- Sigurpalsdottir,et al. A comparison of methods for detecting DNA methylation from long-read sequencing of human genomes. Genome Biol 25, 69 (2024).
- Knödlseder N, et al. Engineering selectivity of Cutibacterium acnes phages by epigenetic imprinting. PLoS Pathog. 2022 Mar;18(3):e1010420.
- Ni, P., Huang, N., Nie, F. et al. Genome-wide detection of cytosine methylations in plant from Nanopore data using deep learning. Nat Commun 12, 5976 (2021).
標(biāo)簽：
DNA甲基化
- Oxford Nanopore Technologies(ONT)全基因組甲基化測序的介紹與應(yīng)用
- 三代ONT測序技術(shù)檢測組織DNA甲基化R10和R9芯片測序性能數(shù)據(jù)比較
- 文獻(xiàn)解讀：PM2.5暴露通過m6A甲基化調(diào)控雄性生殖功能損傷機(jī)制
- DNA甲基化揭示蘋果干旱脅迫的表觀基因組調(diào)控機(jī)制的研究
- cfDNA甲基化突破性液體活檢方法cfMeDIP-seq臨床驗(yàn)證研究
- 文獻(xiàn)解讀：揭示NSUN2介導(dǎo)m5C甲基化在白血病中的關(guān)鍵調(diào)控作用
- WGBS+RNA-seq助力揭示植物不定根再生的DNA甲基化調(diào)控機(jī)制
- 文獻(xiàn)解讀：谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SLC1A6促進(jìn)癌癥對免疫治療的耐藥性
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