细菌基因组上DNA磷硫酰化修饰位点的定量分析

论文摘要

DNA磷硫酰化修饰是指发生在DNA骨架上的非桥接氧原子被硫原子取代的一种新型DNA修饰。它是迄今为止唯一发现的发生在DNA骨架上的一种生理修饰。DNA磷硫酰化修饰广泛存在于原核生物中,尽管已经建立了单分子实时测序（single molecule real-time sequencing,SMRT）和碘切割依赖的深度测序（deep sequencing of iodine-induced cleavage,ICDS）两种技术能测定基因组修饰位点,但仍缺乏对磷硫酰化修饰位点进行高分辨率全基因组修饰位点定量分析的方法。为了进一步探究磷硫酰化修饰位点及其修饰特征,本论文开展了定量基因组测序方法的开发,并以此方法开展了Escherichia coli B7A和Salmonella enterica serovar Cerro 87基因组磷硫酰化修饰的定量研究。首先,通过测序深度增加的ICDS重测序,在E.coli B7A基因组上找到了比以往发现的修饰位点更多的磷硫酰化修饰的位点,当测序深度增加到1000×时,检测到DNA磷硫酰化修饰的位点数为23708个。随后通过测序深度的梯度分析,发现E.coli B7A基因组上能够发生DNA磷硫酰化修饰的位点随着测序深度的增加而增加。该ICDS重测序与LC-MS精确定量分析的数据进行比较,发现两者测得的E.coli B7A基因组的磷硫酰化修饰丰度相差大约12倍。其次,对ICDS测序方法进行改进,开发了可以定量测定磷硫酰化修饰位点的PT-IC-seq方法。与ICDS方法相比,PT-IC-seq删除了对碘切割切口两端的片段进行特殊标签标记及PCR特异性扩增带有标签的片段的步骤,而是尽可能使碘切割（修饰）的分子及未切割（未修饰）的分子都同等比例扩增。这样计算出各个位点的断裂reads所占的百分比就可以比较真实的反应这个位点的修饰频率。通过对来自S.enterica serovar Cerro 87的pBlueScript SK（+）质粒的定量分析,验证了PT-IC-seq方法的可行性,并揭示了该质粒上磷硫酰化修饰位点具有不完全修饰的特征,这种不完全修饰表现在同一个位点既存在修饰的分子,也存在不修饰的分子,说明了磷硫酰化修饰具有异质性。另外,利用PT-IC-seq方法,对E.coli B7A和S.enterica serovar Cerro 87基因组的磷硫酰化修饰水平进行了定量分析。研究发现不论是E.coli B7A,还是S.enterica serovar Cerro 87,其基因组上磷硫酰化修饰位点都具有不完全修饰的特征。从而揭示了磷硫酰化修饰在全基因组水平上的修饰都存在细胞之间异质性。类似于甲基化异质性,这种磷硫酰化异质性也可能使细菌在逆性环境下增加群体生存的可能性,从而赋予种群进化上的优势。同时研究也发现细菌基因组上磷硫酰化修饰位点的修饰频率比较低。在E.coli B7A基因组中,修饰频率大于5%的位点仅占基因组上所有GAAC/GTTC位点的25.4%,在S.enterica serovar Cerro 87基因组中,修饰频率大于5%的位点也仅占基因组上所有GAAC/GTTC位点的11.8%。两种细菌获得类似结果,暗示细菌中DNA磷硫酰化修饰的异质性是一个普遍特征。另外,对E.coli B7A基因组和S.enterica serovar Cerro 87基因组上修饰频率大于5%的位点做了深度功能区域分析,发现高频修饰位点相对均匀的分布在基因组的ORF、ncRNA及非编码区,并没有集中在某个功能区。最后,我们通过小角X射线散射的方法,解析出了DndCDE蛋白复合体的结构外型为C字形,其回旋半径为4.6 nm。又通过ChIP-seq的方法探索了DndCDE蛋白复合体结合的DNA底物序列。总之,本研究首次发现DNA磷硫酰化修饰存在着细胞之间修饰异质性,并对全基因组水平上的磷硫酰化修饰位点的修饰频率进行了定量分析,填补了这方面研究的空白。另外,对DNA磷硫酰化修饰蛋白复合体的结构及其结合的底物DNA序列的探索也为后续的揭示DNA磷硫酰化修饰蛋白的酶催化机制的研究奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩略语说明（Abbreviations）
• 第一章 文献综述
•   1.1 DNA甲基化修饰
•     1.1.1 表观遗传与DNA甲基化
•     1.1.2 DNA甲基化的生物学意义
•     1.1.3 DNA甲基化修饰在发育过程中的作用及动态变化
•   1.2 天然DNA磷硫酰化修饰
•     1.2.1 细菌中DNA降解现象的发现
•     1.2.2 细菌中Dnd基因簇的确定
•     1.2.3 细菌Dnd表型的本质——DNA磷硫酰化修饰的确定
•     1.2.4 不同类型的磷硫酰化修饰二核苷的鉴定及其定量分析
•     1.2.5 DNA磷硫酰化修饰的生物学意义
•     1.2.6 DNA磷硫酰化修饰蛋白的功能和结构研究
•     1.2.7 磷硫酰化修饰位点在基因组上的分布
•     1.2.8 DA-6mA-seq对6mA位点的检测
•   1.3 本研究的研究背景,研究内容和研究目的
•     1.3.1 本研究的研究背景
•     1.3.2 本研究的研究目的和研究内容
• 第二章 ICDS深度重测序检测细菌基因组中磷硫酰化修饰位点
•   2.1 前言
•   2.2 材料与方法
•     2.2.1 基本试剂
•     2.2.2 酶类
•     2.2.3 试剂盒
•     2.2.4 仪器
•     2.2.5 菌株
•     2.2.6 寡核苷酸
•     2.2.7 培养基及缓冲液配方
•     2.2.8 碘断裂法鉴定菌株DNA是否发生双链磷硫酰化修饰
•     2.2.9 碘切割依赖的DNA深度测序（Iodine-cleavage based DNA deep sequencing,ICDS）
•     2.2.10 HPLC和 MS定量单位长度磷硫酰化修饰DNA的修饰丰度
•   2.3 实验结果
•     2.3.1 大肠杆菌B7A基因组的ICDS深度重测序
•     2.3.2 大肠杆菌B7A中 DNA磷硫酰化修饰丰度的测定
•   2.4 讨论
• 第三章 DNA磷硫酰化修饰位点定量测序方法的建立
•   3.1 前言
•   3.2 材料与方法
•     3.2.1 菌株
•     3.2.2 质粒
•     3.2.3 试剂盒
•     3.2.4 缓冲液配方
•     3.2.5 PT-IC-seq（iodine induced cleavage-based PT sequencing）实验及数据分析
•   3.3 实验结果
•     3.3.1 PT-IC-seq方法设计
•     3.3.2 PT-IC-seq在 pBlueScript SK（+）质粒上的测试
•     3.3.3 来自S.enterica serovar Cerro87的pBlueScript SK（+）质粒上所有GAAC/GTTC位点的修饰频率检测
•   3.4 讨论
• 第四章 细菌全基因组水平磷硫酰化修饰位点的修饰特征的研究
•   4.1 前言
•   4.2 材料与方法
•     4.2.1 菌株
•   4.3 实验结果
•     4.3.1 大肠杆菌B7A基因组DNA磷硫酰化修饰的异质性
•     4.3.2 大肠杆菌B7A基因组上磷硫酰化修饰位点的修饰频率研究
•     4.3.3 PT-IC-seq修饰频率高低与ICDS测序深度大小之间的联系
•     4.3.4 大肠杆菌B7A上修饰频率高的位点的深度分析
•     4.3.5 PT-IC-seq在其他磷硫酰化修饰菌株基因组上的应用
•     4.3.6 S.enterica serovar Cerro87 基因组上10319 个修饰频率大于5%的位点在基因组上分布规律的分析
•   4.4 讨论
• 第五章 DNA磷硫酰化修饰蛋白复合体的结构研究
•   5.1 前言
•   5.2 材料与方法
•     5.2.1 基本试剂
•     5.2.2 缓冲液配方
•     5.2.3 菌株
•     5.2.4 质粒
•     5.2.5 蛋白表达与亲和纯化
•     5.2.6 凝胶过滤层析
•     5.2.7 SDS-PAGE
•     5.2.8 纳米尺度研究蛋白结构的方法——小角X射线散射法
•   5.3 实验结果
•     5.3.1 蛋白表达与纯化
•     5.3.2 蛋白稳定性分析
•     5.3.3 蛋白小角X射线散射实验及结果
•     5.3.4 磷硫酰化修饰蛋白复合体DndCDE结合底物DNA序列的研究
•   5.4 讨论
• 第六章 总结与展望
•   6.1 本研究工作总结
•   6.2 本研究主要创新点
•   6.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表学术论文
• 附录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 李金丽

导师: 由德林

关键词: 磷硫酰化修饰,高通量测序,部分修饰,异质性,修饰频率,蛋白复合体,小角散射

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 上海交通大学

分类号: Q811.4

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.000266

总页数: 132

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