近日，華中科技大學(xué)陳衛(wèi)華和劉智、復(fù)旦大學(xué)趙興明、歐洲分子生物學(xué)實驗室Peer Bork及團隊在Advanced Science(IF=15.000) 發(fā)表最新成果《Long-read sequencing reveals extensive DNA methylations in human gut Phagenome Contributed by Prevalently Phage-Encoded Methyltransferases》，該研究在之前研究的基礎(chǔ)上，成功利用三代測序技術(shù)對104個糞便樣本的8848個高質(zhì)量宏樣本噬菌體基因組的DNA甲基化模式開展研究。

在利用二代（illumina）加三代（PacBio CCS）宏基因組測序構(gòu)建出一組代表人類腸道噬菌體組的中國人類腸道噬菌體目錄（CHGV）后，研究人員篩選出完整度≥90%的8848個高質(zhì)量噬菌體基因組進行基因組甲基化研究：發(fā)現(xiàn)其中97.60%的腸道噬菌體表現(xiàn)出甲基化（下圖A-B-C），并且包含m4C和m6A兩種類型的甲基化修飾(下圖D)。此外，研究還鑒定出157個甲基化motifs，這其中包含兩個新的motifs（下圖E）。

研究對不同生活史類型的噬菌體基因組的DNA甲基化模式進行了分析，發(fā)現(xiàn)它們與噬菌體的基因組特征及進化特征相關(guān)：m4C甲基化在CDS及Non-coding region的密度隨著噬菌體烈性的增加而增加，而m6A則呈現(xiàn)相反趨勢（下圖A-B）——這說明不同類型的甲基化修飾在噬菌體中扮演著不同角色，可能與噬菌體的功能和生存狀況有關(guān)。此外，研究還對具有各種功能的基因中觀察到的差異甲基化模式進行統(tǒng)計（下圖D），表明在腸道噬菌體中，功能上重要的基因更有可能被甲基化。噬菌體的分布廣度和甲基化密度之間存在很強的正相關(guān)性（下圖E），較高的甲基化密度對應(yīng)著較高的噬菌體活力。

為闡明這些高頻甲基化背后的機制，研究人員對這些甲基化的來源進行了研究——腸道噬菌體是否可以編碼自己的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（MTases），結(jié)果發(fā)現(xiàn)有超過1/3的噬菌體擁有DNA MTases基因（下圖A-B），且MTases拷貝數(shù)的增加與較高的基因組甲基化密度、特定甲基化motif(下圖D-E)及某些噬菌體群體的感染率升高(下圖F)有關(guān)。此外，研究發(fā)現(xiàn)噬菌體的生活方式也與MTases的分布有關(guān)：溫和型噬菌體中包含有更多的MTases基因，而在烈性噬菌體中則罕見MTases（圖G-H）。

研究中比較了噬菌體MTases與宿主菌編碼的MTases序列之間的相似性發(fā)現(xiàn)，兩者蛋白質(zhì)序列同源性極高（下圖A）。基于此，研究者大膽提出假設(shè)：噬菌體與宿主菌之間應(yīng)該存在基因交流（下圖B），噬菌體可以利用自己編碼的MTases來逃避細菌的防御機制。利用MTases的這種同源性，可用于預(yù)測樣本中噬菌體-宿主菌對應(yīng)關(guān)系，且具有較高的準確性（下圖C-D-E）。這一結(jié)果揭示了噬菌體DNA甲基化在逃避宿主防御系統(tǒng)中的作用，也說明了噬菌體及細菌之間的基因交流對腸道微生物群落的影響。

綜上，不難發(fā)現(xiàn)，腸道噬菌體基因組甲基化現(xiàn)象普遍存在，甲基化水平與噬菌體生活史和烈性的相關(guān)性更有助于理解病毒基因組甲基化的功能，在腸道噬菌體逃避宿主防御系統(tǒng)中噬菌體基因組編碼的MTase有重要貢獻。同時，MTase基因在噬菌體和宿主菌基因組間的蛋白質(zhì)序列同源性證實了噬菌體-宿主菌間的基因交流過程，也為噬菌體-宿主關(guān)系確認提供了高精準度的解決思路。