生命科學與技術(shù)學院薛劍煌/史偈君/侯羽君團隊合作開發(fā)新型DNA修飾測序技術(shù)并揭示5hmC在阿爾茨海默病中的獨立調(diào)控功能，成果發(fā)表于《科學前沿》

來源：生命科學與技術(shù)學院   時間：2025-07-23  瀏覽：301

阿爾茨海默病（Alzheimer's disease，AD）是一種以進行性認知功能障礙和記憶衰退為特征的神經(jīng)退行性疾病，全球約有5000萬患者受其困擾。隨著人口老齡化加劇，AD發(fā)病率逐年攀升，但現(xiàn)有治療手段僅能緩解癥狀，無法阻止疾病進展，其病理機制尚未被完全闡明。AD的核心病理特征包括β-淀粉樣蛋白（Aβ）沉積和Tau蛋白過度磷酸化，然而以Aβ/Tau病理假說指導的大部分的靶向藥物研發(fā)與臨床試驗都以失敗告終，反映出現(xiàn)有理論體系在AD機制理解和干預策略上仍存在不足。

表觀遺傳修飾被發(fā)現(xiàn)與AD存在密切關(guān)聯(lián)，已有多項研究揭示DNA表觀遺傳修飾在AD中發(fā)生了顯著改變，提示DNA修飾可能作為AD早期診斷標記物，其相關(guān)調(diào)控因子或調(diào)控通路可能作為AD的新型治療靶點。在哺乳動物中，DNA修飾的主要形式是5-甲基胞嘧啶（5mC），由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMT）家族蛋白催化產(chǎn)生。此外，5mC可被TET雙加氧酶進一步氧化產(chǎn)生5-羥甲基胞嘧啶（5hmC）、5-醛基胞嘧啶（5fC）與5-羧基胞嘧啶（5caC）。5fC或5caC在基因組中的豐度極低，因此被認為是5mC去甲基化的中間產(chǎn)物。與之相比，5hmC的含量較高，尤其在神經(jīng)細胞中5hmC含量可占5mC的20%以上，可能發(fā)揮了獨立的表觀調(diào)控功能。雖然已有部分研究發(fā)現(xiàn)在AD小鼠模型與病人樣本中5mC或5hmC含量發(fā)生了顯著改變，但由于組織樣本與檢測手段的差異，AD中不同DNA修飾的變化情況仍沒有統(tǒng)一定論。此外，目前仍缺乏AD中不同DNA修飾在單堿基分辨率水平的分布圖譜，一定程度上影響了后續(xù)的調(diào)控機制研究。

近日，同濟大學生命科學與技術(shù)學院薛劍煌課題組聯(lián)合史偈君課題組和侯羽君課題組在《科學前沿》（Advanced Science）期刊發(fā)表了題為“Direct Sequencing of 5‐Methylcytosine and 5‐Hydroxymethylcytosine at Single‐Base Resolution Unravels Their Distinct Roles in Alzheimer's Disease”的研究論文，提出了同時獨立檢測5mC與5hmC的方案，首次在單堿基分辨率水平系統(tǒng)揭示了5hmC在AD小鼠海馬中的動態(tài)變化及其獨立于5mC的調(diào)控功能。

研究人員基于萊茵衣藻來源的CMD1蛋白，發(fā)展出全新的5mC保護方案，結(jié)合脫氨酶開發(fā)了CD-seq測序方法，實現(xiàn)對5mC的準確識別；再聯(lián)合前人開發(fā)的ACE-seq用于5hmC檢測，從而避免傳統(tǒng)利用“全基因組甲基化測序結(jié)果與單一修飾測序結(jié)果做減法”的方案，極大減少測序誤差，實現(xiàn)對不同DNA修飾的獨立檢測。此外，本研究還構(gòu)建了CT-seq方法，與TAB-seq方法一同作為DNA修飾5mC與5hmC的另一種正交驗證體系。

利用經(jīng)典AD小鼠模型（5×FAD），研究人員首先應用質(zhì)譜技術(shù)發(fā)現(xiàn)5hmC在AD小鼠的海馬與小腦中顯著降低，而5mC在所有組織中都無顯著變化。進一步在AD小鼠海馬中應用CD-seq與ACE-seq等測序技術(shù)同樣得到了與質(zhì)譜檢測相同的結(jié)果，提示5hmC在海馬中的動態(tài)變化可能與AD發(fā)生有重要關(guān)聯(lián)。從測序結(jié)果上看，5hmC的含量降低發(fā)生在全基因組范圍內(nèi)的不同位點中，而5mC含量在不同位點中則存在升高、降低或不變等不同變化，提示5hmC的變化與5mC的改變完全獨立。更重要的是，差異5hmC位點與差異5mC位點的重疊十分有限，表明5hmC可以作為獨立的表觀遺傳標記，在AD的病理進程中可能發(fā)揮重要調(diào)控作用。

經(jīng)典的理論認為5mC僅在啟動子與增強子區(qū)域抑制基因轉(zhuǎn)錄，在基因體區(qū)域的積累則可以穩(wěn)定并促進基因表達。在這項工作中，研究人員發(fā)現(xiàn)5hmC在基因組不同區(qū)域（啟動子或基因體）都與基因表達呈正相關(guān)。相反的是，5mC在這些區(qū)域的積累都與轉(zhuǎn)錄抑制有關(guān)，這與經(jīng)典的理論相左，從側(cè)面驗證了5mC的獨立檢測的重要性，也提示5mC在不同組織以及基因組不同區(qū)域的功能可能存在差異。然而，雖然5hmC在AD中大幅減少，但其并未直接導致廣泛的基因表達變化，提示5hmC可能通過調(diào)控染色質(zhì)開放性、DNA損傷修復等非轉(zhuǎn)錄機制參與AD發(fā)病過程，為后續(xù)的機制研究提供了全新思路。

總而言之，本研究不僅建立了5mC/5hmC的高精度的獨立檢測技術(shù)，還發(fā)現(xiàn)了5hmC在AD小鼠海馬基因組中顯著降低，可能發(fā)揮了獨立于5mC的表觀調(diào)控功能，強化了5hmC及其調(diào)控因子作為AD潛在干預靶點的研究基礎。

同濟大學生命科學與技術(shù)學院碩士研究生王子昕（已畢業(yè)）、博士研究生陳發(fā)迎和何寶丹為論文共同第一作者。同濟大學生命科學與技術(shù)學院薛劍煌教授、史偈君教授與侯羽君教授為論文共同通訊作者。該研究獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、上海市自然科學基金和同濟大學與附屬同濟醫(yī)院啟動經(jīng)費等項目的支持。

論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202507843

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