Oxford Nanopore Technologies(ONT)全基因組甲基化測序的介紹與應用
DNA甲基化作為表觀遺傳調控的核心機制，通過不改變DNA序列的方式影響基因功能，在發育、疾病等生命過程中發揮關鍵作用。Oxford Nanopore Technologies（ONT）推出的三代全基因組甲基化測序技術，基于納米孔電信號實現單分子實時檢測，無需化學處理即可同步解析5mC和6mA修飾。從R9到R10芯片的升級顯著提升了技術性能,已成功應用于人類疾病診斷、作物表觀育種和微生物-噬菌體互作研究等。該技術為揭示跨物種表觀遺傳調控網絡提供了強大工具，推動精準醫學和合成生物學發展。
ONT R10芯片技術核心原理與創新優勢如下：
應用場景
疾病研究與診斷：研究疾病中基因甲基化模式及變化，探索疾病發生和發展的機制。
微生物學研究：研究細菌甲基化修飾，了解其在基因表達調控和病原性中的作用以及噬菌體與宿主相互作用。
進化與生態學研究：物種間甲基化比較，研究進化關系和生態適應性；分析微生物在不同環境條件下的甲基化變化，研究其適應機制。
法醫學應用：利用甲基化模式的個體差異，進行個體識別和親子鑒定。
農業與植物研究：研究作物在不同環境條件下的甲基化變化，指導作物改良育種或應急響應機制。
藥物研發與毒理學：通過甲基化分析揭示與藥物反應相關的基因和通路；研究藥物和環境毒素對基因甲基化的影響，評估其毒性。
不同DNA甲基化測序技術比較：
經典案例
人類研究：高精度甲基化檢測驗證
期刊：Genome Biology 影響因子：IF10.1 樣本：人全血
Sigurpalsdottir等（2024）對7179例人全血樣本進行ONT R10測序，并與Illumina EPIC芯片和WGBS結果進行比較。
關鍵發現：
微生物學：噬菌體-宿主互作機制
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IIIB的6mA修飾調控噬菌體感染特異性。
關鍵發現
植物研究：深度學習賦能甲基化解析
期刊：Nature Communications 影響因子：IF14.7 樣本：擬南芥、水稻
Ni等（2021）開發DeepSignal-plant工具，基于ONT數據實現擬南芥/水稻全基因組5mC檢測。
關鍵發現：
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量。從內到外圈層：CpG（藍色）、CHG（綠色）、CHH（紅色）。
參考文獻：
ONT R10芯片技術核心原理與創新優勢如下：
- 納米孔電信號識別技術 DNA雙鏈通過馬達蛋白解旋后，單鏈以恒定速率通過R10納米孔。R10芯片采用雙讀取頭設計，可同時捕獲同一堿基的兩次電信號，顯著提升甲基化位點的識別精度（單堿基分辨率達99.8%）。甲基化修飾（如5mC、6mA）會改變堿基空間構象，導致特征性電信號偏移，通過遞歸神經網絡（RNN）算法實時解析信號差異，直接判定修飾位點。
- R10芯片的技術突破
- 準確性提升：R10芯片的測序一致性準確率>99.9%，在CpG位點甲基化檢測中與Illumina BS-seq的相關系數達0.95（p＜0.001），尤其在低甲基化區域（＜20%）表現更優。
- 讀長優化：支持平均讀長＞50 kb，可跨越高度重復序列（如著絲粒、轉座子），解決傳統短讀長測序的組裝缺口問題。
- 修飾兼容性：單次運行同步檢測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，探索疾病發生和發展的機制。
微生物學研究：研究細菌甲基化修飾，了解其在基因表達調控和病原性中的作用以及噬菌體與宿主相互作用。
進化與生態學研究：物種間甲基化比較，研究進化關系和生態適應性；分析微生物在不同環境條件下的甲基化變化，研究其適應機制。
法醫學應用：利用甲基化模式的個體差異，進行個體識別和親子鑒定。
農業與植物研究：研究作物在不同環境條件下的甲基化變化，指導作物改良育種或應急響應機制。
藥物研發與毒理學：通過甲基化分析揭示與藥物反應相關的基因和通路；研究藥物和環境毒素對基因甲基化的影響，評估其毒性。
不同DNA甲基化測序技術比較：
經典案例
人類研究：高精度甲基化檢測驗證
期刊：Genome Biology 影響因子：IF10.1 樣本：人全血
Sigurpalsdottir等（2024）對7179例人全血樣本進行ONT R10測序，并與Illumina EPIC芯片和WGBS結果進行比較。
關鍵發現：
- 靈敏度：ONT檢測到98.3%的已知CpG位點，新增12%低甲基化區域（＜5%）。
- 一致性：在腫瘤樣本中，ONT與BS-seq的差異甲基化區域（DMR）重疊達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甲基化方面表現尤為出色
微生物學：噬菌體-宿主互作機制
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IIIB的6mA修飾調控噬菌體感染特異性。
關鍵發現
- 動態追蹤：長讀長捕獲噬菌體基因組AGCAGY基序的甲基化傳播過程，證實表觀遺傳印跡機制。
- 應用潛力：指導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IIIB影響PAD20噬菌體感染特性并保護細菌免裂解
植物研究：深度學習賦能甲基化解析
期刊：Nature Communications 影響因子：IF14.7 樣本：擬南芥、水稻
Ni等（2021）開發DeepSignal-plant工具，基于ONT數據實現擬南芥/水稻全基因組5mC檢測。
關鍵發現：
- 覆蓋度：ONT檢測到BS-seq遺漏的32% CHH位點（主要位于轉座子富集區）。
- 分辨率：Circos圖譜顯示ONT可解析端粒區域甲基化梯度，指導抗旱基因篩選。
ONT測序比BS測序檢測到更多的甲基化位點
a-b. 基因組瀏覽器視圖顯示擬南芥（a）56 kb區域和水稻（b）15 kb區域的測序覆蓋度和甲基化狀態。藍色陰影區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量。從內到外圈層：CpG（藍色）、CHG（綠色）、CHH（紅色）。
參考文獻：
- 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).
標簽：
DNA甲基化
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