表觀遺傳學的工作原理及HiFi測序技術助力改變這一研究領域

表觀遺傳學主要研究基因活性如何在不改變 DNA 序列本身的情況下發生變化。可以把它想象成基因的 “音量控制”，根據環境和細胞信號來調高或調低基因的表達。這些調節是由 DNA 甲基化、染色質結構和非編碼 RNA 活性等機制驅動的。表觀遺傳學在細胞功能中起著至關重要的作用，并且會影響從個體發育到疾病等各個方面，尤其是在癌癥等病癥中¹。下面讓我們深入探討表觀遺傳學的工作原理，以及 HiFi 測序技術是如何改變這一研究領域的。

 
理解 DNA 甲基化

DNA 甲基化是指在 DNA 的四種核苷酸堿基之一上添加一個甲基基團²，本質上是為特定功能標記 DNA 。在最常見的一種甲基化類型中，甲基基團附著在胞嘧啶堿基的第 5 個碳原子上，這被稱為 5mC 甲基化³。甲基化對人類發育至關重要，并且會受到飲食或壓力等環境因素的影響。當出現異常情況，比如異常的甲基化模式，就可能導致疾病，如癌癥，在癌癥中抑癌基因可能會因此被關閉⁴。

亞硫酸氫鹽轉化法可將甲基化狀態轉變為堿基變化，一直以來被用于通過測序或微陣列研究甲基化，但這種方法會降解 DNA，難以全面了解甲基化情況。PacBio HiFi 測序技術則不同，它在每次測序運行中都能自動提供更準確、更全面的甲基化信息，無需進行亞硫酸氫鹽處理或額外的文庫制備方法⁵，使研究人員能夠輕松地將甲基化研究成果融入對表觀遺傳調控更廣泛的理解之中。

染色質結構：表觀遺傳學的結構基礎

染色質結構涵蓋了 DNA 緊密包裝進入細胞核的結構組織方式。染色質纖維是由 DNA 長鏈纏繞在稱為組蛋白的蛋白質上形成的。這些結構共同構成了類似串珠的核小體，在包裝 DNA 和調節其可及性方面發揮著關鍵作用。這種動態結構通過控制特定 DNA 片段是處于可轉錄的開放狀態，還是緊密包裝無法接觸的狀態，來影響基因的表達。

一種具有開創性的方法 ——Fiber-seq，它利用 HiFi 測序來識別染色質結構，包括沿著每條測序讀長確定核小體、轉錄因子的位置以及可及染色質區域 ⁶。通過研究染色質結構，研究人員能夠了解 DNA 和相關蛋白質的空間排列如何影響基因調控。

表觀遺傳學研究的新時代

在之前的一篇微信文章中，我們介紹了由華盛頓大學的 Andrew Stergachis 博士和 Mitchell Vollger 博士領導的一項研究成果，即把 Fiber-seq 與甲基化組測序相結合，同時在單個 Revio SMRT Cell 上對基因組和轉錄組進行測序的強大功能。今年1月這項研究正式在《自然遺傳學》雜志上發表，值得關注。這項具有里程碑意義的研究成果的重要性值得再次強調：通過在單次測序運行中整合四種高質量、單倍型解析的 “組學”—— 基因組、CpG 甲基化組、染色質表觀基因組和轉錄組，該方法能夠快速解析不明罕見疾病的潛在機制。這一成果展示了 PacBio 技術在提供基因調控整體視圖方面的潛力，為深入了解復雜的生物學過程提供了非凡的見解。該研究強調了整合這些層面的信息如何能加深我們對疾病的理解，進而推動更有效的診斷和治療方法的發展。

 
探索復雜的表觀遺傳景觀

除了 DNA 甲基化和染色質結構外，還有多種其他機制參與基因表達的精細調控。非編碼 RNA（ncRNAs），包括微小 RNA（miRNAs）和長鏈非編碼 RNA（lncRNAs），在微調基因活性方面發揮著關鍵作用。例如，miRNAs 通常通過與信使 RNA（mRNAs）結合，阻止它們翻譯成蛋白質。而 lncRNAs 則可以通過與染色質相互作用，或引導調控蛋白到達特定的基因組區域，來影響基因表達。這些 ncRNAs 已成為發育、分化和疾病等過程中的關鍵調節因子。

此外，RNA 修飾過程 —— 在轉錄后改變 RNA 序列，為基因調控增添了另一層復雜性。這種機制可以在不改變基礎 DNA 序列的情況下影響基因的表達，為響應環境或細胞信號提供了一種動態控制基因功能的方式。

這些多樣的機制使表觀遺傳景觀變得更加復雜，而高精度的 HiFi 長讀長測序技術能夠通過完整捕獲長序列，更清晰地描繪這些相互作用。

HiFi 測序：表觀基因組更全面的解決方案

PacBio HiFi 測序技術在單一平臺上實現了對 DNA、RNA 及其相關甲基化特征的高精度單分子水平分析，為表觀遺傳圖譜繪制提供了更全面的解決方案。該技術兼具 99.9% 的超高準確性與 20 kb 及以上的讀長優勢，其分析范圍可覆蓋其他技術難以觸及的基因組復雜區域（如重復序列區或結構變異區）。與其他方法不同，HiFi 測序無需經過亞硫酸氫鹽處理或擴增步驟，能直接捕獲天然分子，完整保留原始表觀遺傳標記，因此非常適合對表觀基因組進行精準且全面的表征。這種簡化的實驗流程不僅節省時間，還能確保 DNA 完整性，使研究人員可在單次測序中捕獲多種甲基化特征。

Revio測序系統推出的SPRQ化學試劑，結合 SMRT Link 軟件及儀器固件的更新，大幅提升了 Revio 平臺的多組學分析能力。這包括優化 DNA 甲基化檢測算法，將檢測范圍擴展至 6mA 甲基化（可作為 Fiber-seq 技術中開放染色質的標志物），并提高了 5mC 甲基化的檢測準確性。此外，該試劑還實現了 30% 的數據產出提升，使研究人員能夠在 PacBio 平臺上同時捕獲表觀基因組的多個維度信息，推動表觀基因組研究向規模化、高通量方向變革。

跨領域的變革性影響

HiFi 測序技術在表觀遺傳學領域的創新應用，已在多個研究領域產生變革性影響：

• 癌癥研究：通過 HiFi 測序，研究人員在 COLO829 黑色素瘤細胞系中精準定位了特定甲基化模式 —— 在 p53 調控的 DNA 復制抑制劑基因 KLLN 的上游區域檢測到高甲基化現象，為解析癌癥發生的表觀遺傳機制提供了關鍵線索⁷。
• 罕見病研究：異常甲基化模式與強直性肌營養不良等罕見病密切相關，也是致病性重復序列擴張的重要影響因素（例如，FMR1 基因座的 CGG 重復序列擴張會導致脆性 X 綜合征）。HiFi 測序憑借高準確性、長讀長及甲基化檢測能力，成為表征這類重復序列擴張的理想工具³。

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• 神經科學研究：研究團隊利用 HiFi 測序分析了阿姆斯特丹癡呆隊列中 92 名阿爾茨海默病患者與 117 名健康百歲老人的甲基化特征，在風險單倍型 TMEM106B 的 3’非翻譯區（3’UTR）發現了一個 AluYb8 逆轉座子。進一步的甲基化分析顯示，攜帶該 AluYb8 元件的 TMEM106B 單倍型甲基化水平顯著高于未攜帶該元件的單倍型，為神經退行性疾病的表觀遺傳機制研究提供了新視角⁸。
• 微生物基因組研究：DNA甲基化堿基的同步檢測為微生物研究帶來了變革⁹，已被廣泛應用于分析甲基化對微生物致病性¹⁰、免疫系統侵襲能力等方面的影響¹¹，推動了微生物表觀遺傳學的發展。