文献分享 | Anal. Chem.:基于选择性连接酶的免样品处理的位点特异性DNA 5-羟甲基胞嘧啶的识别和检测

文摘   2024-08-31 16:59   湖北  


供稿:郝莹,武汉大学

校稿:郝莹,武汉大学

推送:郝莹,武汉大学

今天给大家分享的文献发表在Analytical Chemistry上,标题为DNA Selective Ligase-Based Sample Processing-Free Discrimination and Detection of Site-Specific DNA 5-Hydroxymethylcytosine,通讯作者分别为北京大学、陕西师范大学、河北大学的贾桂芳、刘成辉和严景丽教授。


准确检测基因组DNA中位点特异性的5-羟甲基胞嘧啶(5hmC)具有重要意义,但直接区分极低水平的5hmC与丰富的胞嘧啶/5-甲基胞嘧啶(C/5mC)具有挑战性。在此,作者提出一种选择性连接酶介导的机制(SLim),可以在不使用任何样品处理方案的情况下,以高特异性直接区分5hmC和C/ 5mC。在这个新方法中,作者发现HiFi Taq DNA连接酶可以很好地耐受错配的5hmC/A碱基配对,连接相关的缺口位点,而错配的5mC/A或C/A碱基对不能被HiFi Taq DNA连接酶识别,为直接和选择性地区分5hmC和类似的类似物提供了新的途径。本研究通过将SLim与聚合酶链反应(PCR)或环介导等温扩增(LAMP)相结合,实现了位点特异性5hmC的超灵敏和选择性定量。


1 Slim-PCR检测的原理

作者首先使用连接PCR技术测试了HiFi Taq DNA连接酶辅助SLim策略用于位点特异性5hmC分析。如图1所示,选择一个内部X位点(X = C或5mC或5hmC)的DNA位点及其互补序列作为模型靶点,研究SLim-PCR检测的性能。当温度升高到94℃时,目标DNA发生变性,由双链变为单链。温度降低后,携带X位点的目标DNA序列将与Up Probe-A的3’-序列(蓝色)和Down Probe的5’ -序列(蓝色)杂交。HiFi Taq DNA连接酶只能容忍5hmC/A错配,而不能容忍C/A或5mC/A错配。因此,只有目标DNA上的位点特异性5hmC才能使Down Probe和Up Probe-A高效连接,从而产生长链连接产物。相反,靶DNA同一位点的C或5mC不能被HiFi Taq DNA连接酶读取,从而阻止探针连接。因此,HiFi Taq DNA连接酶的独特优点使得5hmC与C类似物容易特异性区分,导致5hmC产生的长链连接产物数量比5mC或C形成的长链连接产物数量显著增加。简而言之,通过将SLim辅助连接反应与高效的核酸扩增技术(如PCR或LAMP)耦合,可以实现位点特异性5hmC的高选择性和高灵敏度定量。


图1 HiFi Taq DNA连接酶辅助SLim策略用于选择性鉴别和检测位点特异性5hmC的示意图


评估连接酶和探针的选择性

在本研究中,HiFi Taq DNA连接酶对5hmC/A错配的选择性识别和耐受性特征是SLim设计的关键,作者首先探究了Down Probe和Up Probe(A,C,T,G)的连接效率,将X-相对碱基分别改变为A,C,T或G。使用Up Probe-A检测含C类似物的SLim-PCR系统的PAGE结果如图2a所示。可以看出,只有5hmC显示出明显的PCR产物条带,而空白对照、C或5mC的PCR产物可以忽略不计。如果HiFi Taq DNA连接酶不存在,则5hmC引起的条带消失。此外,当Up Probe-A被Up Probe-G、或-T、或-C取代时,如图2b-d所示,5hmC获得的结果与C/5mC产生的结果没有明显区别。图2a-d中的所有这些结果清楚地证明了5hmC/A错配与HiFi Taq DNA连接酶的合理组合形成了SLim有效区分5hmC与C和5mC的基础。然后,作者进一步评估了HiFi Taq DNA连接酶在耐受5hmC/A错配中的关键作用。从图2a、f-j中可以看出,在使用Up Probe-A的情况下,只有HiFi Taq DNA连接酶对5hmC具有高选择性,只有基于SLim的连接产物可以启动LAMP扩增。如图3b所示,SLim-LAMP结果的PAGE结果与通过SLim-PCR获得的结果非常一致。从图3b可以看出,只有5hmC产生明显的梯状DNA条带(LAMP产物的特征模式),而5C或5mC不能启动连接和随后的LAMP,这与SLim-PCR的结果几乎相同。总之,Up Probe-A和HiFi Taq DNA连接酶的组合是特异性5hmC与其类似类似物区分的最佳选择,并且5hmC特异性SLim策略可以灵活地与各种连接辅助的高效核酸扩增技术组合以提高检测灵敏度。


图2 验证HiFi Taq DNA连接酶和5hmC/ a错配配对在SLim-PCR系统中的关键作用


图3 (a) SLim-LAMP 5hmC实验示意图。(b)空白、200 fM C靶、5mC靶和5hmC靶制备的SLim-LAMP产品凝胶电泳


3 SLim-PCR检测的分析性能

接下来,在优化实验条件后,作者通过与实时荧光PCR技术相结合,评估了SLim-PCR检测对位点特异性5hmC定量的分析性能。如图4a所示,5hmC在200 aM到2 pM范围内产生了明确的扩增曲线。图4b显示了所提出的分析的动态范围是从200 aM到2 pM,其包含两个线性间隔。5hmC目标的CT值分别在200 aM至2 μm范围内和2 μm至2 μm范围内与5hmC目标浓度的对数(lg)呈良好的线性相关。建议的5hmC分析的检测限为113.7 aM。


图4 位点特异性5hmC分析的SLim-PCR分析性能

评估SLim-PCR检测的特异性

作者还通过监测实时荧光反应评估了SLim-PCR检测对5hmC分析的特异性。如图5a所示,200fM 5hmC产生了CT值为22.88的明确的实时荧光曲线,而C和5mC的CT值比5hmC产生的CT值大很多。根据从图4b获得的相关方程,作者计算出200 fM C和200 fM 5mC产生的荧光曲线分别对应于287.7 aM或1.960 fM 5hmC的荧光曲线。因此,所提出的5hmC分析对5hmC定量显示出良好的选择性。作者进一步评估了SLim-PCR系统的选择性,通过定量含有不同比例的5hmC和C的混合物中的5hmC,调节混合物中5hmC目标含量的比例。如图5b所示,随着5hmC的比例从0增加到100%,实时荧光曲线的CT值逐渐降低,CT与5hmC目标水平在0至100%范围内呈线性比例关系 (图5c)。这些结果表明,C对5hmC的测定没有显著的干扰,并且在高水平的C背景中低至0.1%的5hmC也能被清楚地检测到。


图5 (a) 5hmC、C和5mC制备的SLim-PCR体系实时荧光曲线、(b) 5hmC与C总浓度为2pm的混合物中,5hmC在不同比例下的实时荧光曲线、(c) CT与5hmC-target混合物中5hmC-target浓度(%)的lg的关系


基因组DNA中位点特异性5hmC检测

为了验证基于SLim-PCR的策略在真实基因组DNA样品中检测位点特异性5hmC的可行性,作者测量了C57BL/6 J小鼠脑基因组DNA中的5hmC位点(位于Lrpap基因中)。作者使用建议的SLim-PCR检测法来检测小鼠大脑基因组DNA。根据从图4b获得的两范围相关方程,在10 μL反应系统中,在75.6 ng小鼠脑基因组DNA中测量的5hmC位点的水平估计为681.4 aM。为了进一步验证实验结果的可靠性,通过向小鼠脑的基因组DNA中加入不同浓度的5hmc 靶向DNA进行回收试验。5hmC目标的测量回收率在103.3-104.8%之间。上述结果表明,所提出的基于连接的5hmC分析适用于真实基因组DNA中5hmC的定量分析。

总之,作者提出了一种新的SLim策略,通过HiFi Taq DNA连接酶对5hmC/A错配但对5mC/A或C/A错配的选择性连接能力,允许从C和5mC中有效区分5hmC。通过将5hmC特异性SLim机制与PCR相结合,实现了位点特异性5hmC的准确和超灵敏定量,而不依赖于任何样品处理步骤。SLim-PCR 5hmC分析的操作简单易行,有效避免了传统复杂样品处理过程中通常涉及的DNA损失或破坏,并保证了高检测准确度。



文章编号:419

原文链接:

https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c02621

原文引用:

Jiahui Zhao, Jingli Yan*, Jing Li, Guoyu Shi, Ming Su, Chenghui Liu*, Guifang Jia*. DNA Selective Ligase-Based Sample Processing-Free Discrimination and Detection of Site-Specific DNA 5-Hydroxymethylcytosine. Anal. Chem., 2024,96(32): 13285-13290.

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