研究DNA化学标记变化的独特方法

一种研究复制后 DNA 特定变化的新方法已作为技术报告发表在Nature Cell Biology上。研究人员开发了一种高度灵敏、基于定量质谱的方法，称为 iDEMS(通过 EdU 标记质谱法分离 DNA)。

“我们工作的新颖之处在于，我们没有使用该领域广泛使用的测序方法，而是使用质谱法，这是这种方法首次用于测量纯化、复制的 DNA 上的 DNA 修饰，”博士说. Stewart-Morgan，该报告的共同第一作者，来自哥本哈根大学诺和诺德基金会蛋白质研究中心(CPR)的Groth实验室。

这种独特的方法是与 MRC 伦敦医学科学研究所 (LMS) 的 Hajkova 实验室联合项目的结果。“在 Groth 实验室，我们拥有复制方面的专业知识，Hajkova 实验室拥有通过质谱法研究 DNA 甲基化的专业知识。我认为这种多学科合作是该项目如此成功的很大一部分原因，”Stewart-Morgan 博士说解释。“我们使用 iDEMS 的研究结果是明确的，并为未来的研究开辟了新的途径。”

DNA修饰和细胞稳定性

基因组是在细胞中发现的整套 DNA 指令。实际上，生物体中的所有细胞都包含相同的遗传信息——但表达哪些基因取决于细胞的功能。这种细胞特异性基因表达受细胞的表观基因组调节，该表观基因组由与 DNA 结合的蛋白质以及对 DNA 的直接化学修饰组成。

最重要的表观遗传调节因子之一是 DNA 甲基化——一种化学标记，可以关闭不应表达的基因组区域。这些标记的模式对于维持细胞的稳定性和特性非常重要：例如，肝细胞中的 DNA 甲基化模式与血细胞中的 DNA 甲基化模式不同。

当 DNA 在细胞分裂过程中复制时，与 DNA 相关的表观遗传标记(包括 DNA 甲基化)会被稀释。新创建的 DNA 链需要重新建立甲基化水平和模式，以维持对基因表达、基因组稳定性和细胞身份的表观遗传记忆的控制。

然而，这个过程的大部分内容是未知的，DNA 甲基化的丢失是分裂多次的细胞的一个共同特征，例如增殖能力很强的癌细胞和在人的一生中多次复制的衰老细胞。近年来，几个小组尝试使用测序方法研究这一过程，但复制后甲基化维持的确切动力学仍不清楚。

甲基化重建

使用 iDEMS，研究人员发现 DNA 甲基化水平在复制后稳定增加，4 小时后复制 DNA 和基因组 DNA 的水平相等。这表明该过程以稳定、缓慢的速度进行。然而，它被细胞分裂超过了。

“随着时间的推移，细胞在复制后没有足够长的时间来重新建立它们的甲基化，基因组的甲基化最终被稀释。这是第一次非常清晰的甲基化重建动力学被证明。此外，我们看到DNA 甲基化水平的绝对量化，使我们能够区分哪些甲基化标记是新建立的。这使我们对我们的动力学测量充满信心，”Stewart-Morgan 博士报告说。

第二种化学标记

研究人员还使用 iDEMS 研究了第二个标记——DNA 羟甲基化——这是一种比甲基化更为罕见的基因组标记。Stewart-Morgan 博士说，他们的结果证实了早期的研究：“我们发现一条 DNA 链，即模板或‘亲本’链，总是比另一条‘子链’具有更多的羟甲基化，支持早期的工作表明该标记区分基于年龄的 DNA 链，”她说。

“然而，我们还发现，在整个细胞周期中，亲本链和子链之间的羟甲基化水平并不相等。这引发了新的问题，即细胞如何利用链之间的这种差异，例如在 DNA 过程中修理。”

iDEMS 的潜力

通过直接量化复制 DNA 上的 DNA 修饰，iDEMS 解析了 DNA 复制后的 DNA 甲基化和羟甲基化动力学。“iDEMS 是一种动态且信息丰富的工具，用于解决表观基因组维护和 DNA 修饰生物学中的重要问题，”Stewart-Morgan 博士说。

展望未来，iDEMS 将有助于分析不同细胞环境(包括衰老和癌症进化)中的甲基化和羟甲基化动态。与测序数据相比，质谱法提供了一种简单、快速的读数，因此 iDEMS 在效率至关重要的情况下很有用，例如在医疗环境和药物发现研究中。

“我们的结果强调了通过多个镜头理解生物学的新方法的重要性。iDEMS 非常灵活，因为它可以与分子生物学中使用的其他已建立的方法相结合来观察表观基因组。因此，这种方法增加了一个重要的工具研究表观基因组稳定性的技术套件，”Stewart-Morgan 博士总结道。