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DNA由四种核苷制成，每种核苷都有自己的字母-A，G，C和T.然而，由于DNA的结构在1953年被破译，科学家们发现了其他几种常被添加到DNA序列中的变体。替换通常的四个字母之一。这些变体可以是传统核苷的修饰形式，通常有助于细胞控制哪些基因被打开和关闭，并且在DNA中被称为“表观遗传标记”。在细菌中，它们还可以保护DNA免受其他生物如病毒的侵袭。
到目前为止，这些DNA修饰是偶然发现的，因为科学家在DNA的化学分析中发现了意想不到的信号。然而，麻省理工学院，佛罗里达大学和其他机构的新方法提供了一种发现未知表观遗传标记和修饰的系统方法。“这是一种发现你不知道存在的核酸修饰的方法，”麻省理工学院Underwood-Prescott生物工程教授Peter Dedon说。“我们已经开发出一种技术平台，用于发现和表征这些新的修改。”
Dedon和他的同事怀疑特别是细菌和病毒有许多尚未发现的DNA修饰，这可能为生物技术提供新的抗生素目标和新工具。结合生物分析化学，比较基因组学和特殊类型的DNA测序，该团队发现了一种DNA修饰，可帮助细菌保护其基因组免受病毒感染。他们在2月29日那周的“美国国家科学院院刊”上报道了这些发现。
多管齐下的方法
DNA修饰通常在细胞分裂过程中合成后通过酶插入DNA中。这些修饰通常用作标记物，有助于告知细胞在给定时间应该打开哪些基因。DNA修饰还可以帮助细胞保护其DNA免受来自病毒和其他细菌的外来DNA的攻击。更多种类似的修饰也有助于所有类型的RNA，包括信使RNA和转移RNA，发挥其功能。
Dedon和ValériedeCrécy-Lagard是佛罗里达大学的微生物学和细胞科学教授，他决定采用更系统的方法来发现这些修改。
DeCrécy-Lagard之前发现了许多合成RNA修饰所需的基因，称为queuosine和archeosine，它们存在于微生物中，来源于一种叫做preQ0的共同前体。利用比较基因组学，一种筛选不同生物基因组中特定DNA序列变体的技术，她在多种细菌物种中发现了相似的基因，这些基因位于含有DNA修饰基因的特定基因簇中。比较基因组学，平台的一条腿，因此提供了关于潜在的新DNA修饰的第一线索。
新的PNAS论文的高级作者DeCrécy-Lagard和Dedon决定测试deCrécy-Lagard预测这些细菌将preQ0插入DNA。使用质谱法，研究人员可以搜索未知分子并找到具有特定质量的分子，Dedon的实验室发现了用preQ0样结构修饰的DNA，该团队命名为dADG，在具有修饰基因簇的细菌中但不在细菌中缺乏它。
研究人员随后表明，在他们研究的细菌类型中，dADG修饰是保护细菌细胞DNA的防御系统的一部分。例如，这些细菌产生称为限制酶的酶，其切割入侵病毒的未修饰DNA。Dedon和deCrécy-Lagard现在在其他细菌中寻找这些DNA修饰的不同表观遗传功能。
与New England Biolabs首席科学官Richard Roberts合作，该团队正在应用其技术平台的第三个元素来描述新的dADG修饰 - 一种称为单分子实时测序的特殊DNA测序(SMRT) )，在Pacific Biosciences制造的机器上完成。当SMRT测序遇到传统的四种核苷以外的其他物质时，它常常会发出信号。
“在这个过程中有一点点打嗝，一点点暂停，如果你正确地调整软件，你就可以获取信号并知道它在基因组中的位置，”Dedon说。“这可以让您在整个基因组中映射DNA修饰。” 这种类型的排序不会揭示修改是什么，但它确定了它的位置。
通过将SMRT测序的观察能力与比较基因组学的预测能力以及使用生物分析检测和识别修饰的能力相结合，科学家们可以找到新的修改，找出修改的内容，并发现其作用。
抗生素靶标
在人类中，只有少数已知的DNA修饰，其中大部分在四种传统DNA碱基被鉴定后才发现。“还有更多吗?这是一个有趣的问题，”Dedon说。“可能没有太大的数字，但我们可以在人类中寻找更多。”
另一方面，在细菌中，该团队认为可能至少还有十几种尚未发现的修饰，甚至更多的是噬菌体(感染细菌的病毒)。细菌DNA修饰与人类之间的重要联系之一在于人体肠道细菌 - 肠道微生物组。该团队现在有证据表明，肠道微生物组中的细菌含有dADG，以及他们发现的另一种细菌DNA修饰，称为硫代磷酸酯，他们正在寻找它们是否在人类健康和疾病中发挥作用。
发现的任何新修饰也可能成为有用的抗生素目标，特别是那些阻止限制酶切割细菌自身DNA的目标。抑制插入DNA修饰的酶的药物会破坏防御系统，允许限制酶破坏宿主细胞的DNA。在一些细菌中，修饰也可能是表观遗传标记所必需的，因此也是抗生素靶标。
“很多这些酶对细菌来说都是独一无二的，它们对于该生物体的存活也是必不可少的，因此它们可能成为良好的抗生素目标，”Dedon说。
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