表观遗传学的工作原理及HiFi测序技术助力改变这一研究领域

表观遗传学主要研究基因活性如何在不改变 DNA 序列本身的情况下发生变化。可以把它想象成基因的 “音量控制”，根据环境和细胞信号来调高或调低基因的表达。这些调节是由 DNA 甲基化、染色质结构和非编码 RNA 活性等机制驱动的。表观遗传学在细胞功能中起着至关重要的作用，并且会影响从个体发育到疾病等各个方面，尤其是在癌症等病症中¹。下面让我们深入探讨表观遗传学的工作原理，以及 HiFi 测序技术是如何改变这一研究领域的。

 
理解 DNA 甲基化

DNA 甲基化是指在 DNA 的四种核苷酸碱基之一上添加一个甲基基团²，本质上是为特定功能标记 DNA 。在最常见的一种甲基化类型中，甲基基团附着在胞嘧啶碱基的第 5 个碳原子上，这被称为 5mC 甲基化³。甲基化对人类发育至关重要，并且会受到饮食或压力等环境因素的影响。当出现异常情况，比如异常的甲基化模式，就可能导致疾病，如癌症，在癌症中抑癌基因可能会因此被关闭⁴。

亚硫酸氢盐转化法可将甲基化状态转变为碱基变化，一直以来被用于通过测序或微阵列研究甲基化，但这种方法会降解 DNA，难以全面了解甲基化情况。PacBio HiFi 测序技术则不同，它在每次测序运行中都能自动提供更准确、更全面的甲基化信息，无需进行亚硫酸氢盐处理或额外的文库制备方法⁵，使研究人员能够轻松地将甲基化研究成果融入对表观遗传调控更广泛的理解之中。

染色质结构：表观遗传学的结构基础

染色质结构涵盖了 DNA 紧密包装进入细胞核的结构组织方式。染色质纤维是由 DNA 长链缠绕在称为组蛋白的蛋白质上形成的。这些结构共同构成了类似串珠的核小体，在包装 DNA 和调节其可及性方面发挥着关键作用。这种动态结构通过控制特定 DNA 片段是处于可转录的开放状态，还是紧密包装无法接触的状态，来影响基因的表达。

一种具有开创性的方法 ——Fiber-seq，它利用 HiFi 测序来识别染色质结构，包括沿着每条测序读长确定核小体、转录因子的位置以及可及染色质区域 ⁶。通过研究染色质结构，研究人员能够了解 DNA 和相关蛋白质的空间排列如何影响基因调控。

表观遗传学研究的新时代

在之前的一篇微信文章中，我们介绍了由华盛顿大学的 Andrew Stergachis 博士和 Mitchell Vollger 博士领导的一项研究成果，即把 Fiber-seq 与甲基化组测序相结合，同时在单个 Revio SMRT Cell 上对基因组和转录组进行测序的强大功能。今年1月这项研究正式在《自然遗传学》杂志上发表，值得关注。这项具有里程碑意义的研究成果的重要性值得再次强调：通过在单次测序运行中整合四种高质量、单倍型解析的 “组学”—— 基因组、CpG 甲基化组、染色质表观基因组和转录组，该方法能够快速解析不明罕见疾病的潜在机制。这一成果展示了 PacBio 技术在提供基因调控整体视图方面的潜力，为深入了解复杂的生物学过程提供了非凡的见解。该研究强调了整合这些层面的信息如何能加深我们对疾病的理解，进而推动更有效的诊断和治疗方法的发展。

 
探索复杂的表观遗传景观

除了 DNA 甲基化和染色质结构外，还有多种其他机制参与基因表达的精细调控。非编码 RNA（ncRNAs），包括微小 RNA（miRNAs）和长链非编码 RNA（lncRNAs），在微调基因活性方面发挥着关键作用。例如，miRNAs 通常通过与信使 RNA（mRNAs）结合，阻止它们翻译成蛋白质。而 lncRNAs 则可以通过与染色质相互作用，或引导调控蛋白到达特定的基因组区域，来影响基因表达。这些 ncRNAs 已成为发育、分化和疾病等过程中的关键调节因子。

此外，RNA 修饰过程 —— 在转录后改变 RNA 序列，为基因调控增添了另一层复杂性。这种机制可以在不改变基础 DNA 序列的情况下影响基因的表达，为响应环境或细胞信号提供了一种动态控制基因功能的方式。

这些多样的机制使表观遗传景观变得更加复杂，而高精度的 HiFi 长读长测序技术能够通过完整捕获长序列，更清晰地描绘这些相互作用。

HiFi 测序：表观基因组更全面的解决方案

PacBio HiFi 测序技术在单一平台上实现了对 DNA、RNA 及其相关甲基化特征的高精度单分子水平分析，为表观遗传图谱绘制提供了更全面的解决方案。该技术兼具 99.9% 的超高准确性与 20 kb 及以上的读长优势，其分析范围可覆盖其他技术难以触及的基因组复杂区域（如重复序列区或结构变异区）。与其他方法不同，HiFi 测序无需经过亚硫酸氢盐处理或扩增步骤，能直接捕获天然分子，完整保留原始表观遗传标记，因此非常适合对表观基因组进行精准且全面的表征。这种简化的实验流程不仅节省时间，还能确保 DNA 完整性，使研究人员可在单次测序中捕获多种甲基化特征。

Revio测序系统推出的SPRQ化学试剂，结合 SMRT Link 软件及仪器固件的更新，大幅提升了 Revio 平台的多组学分析能力。这包括优化 DNA 甲基化检测算法，将检测范围扩展至 6mA 甲基化（可作为 Fiber-seq 技术中开放染色质的标志物），并提高了 5mC 甲基化的检测准确性。此外，该试剂还实现了 30% 的数据产出提升，使研究人员能够在 PacBio 平台上同时捕获表观基因组的多个维度信息，推动表观基因组研究向规模化、高通量方向变革。

跨领域的变革性影响

HiFi 测序技术在表观遗传学领域的创新应用，已在多个研究领域产生变革性影响：

• 癌症研究：通过 HiFi 测序，研究人员在 COLO829 黑色素瘤细胞系中精准定位了特定甲基化模式 —— 在 p53 调控的 DNA 复制抑制剂基因 KLLN 的上游区域检测到高甲基化现象，为解析癌症发生的表观遗传机制提供了关键线索⁷。
• 罕见病研究：异常甲基化模式与强直性肌营养不良等罕见病密切相关，也是致病性重复序列扩张的重要影响因素（例如，FMR1 基因座的 CGG 重复序列扩张会导致脆性 X 综合征）。HiFi 测序凭借高准确性、长读长及甲基化检测能力，成为表征这类重复序列扩张的理想工具³。

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• 神经科学研究：研究团队利用 HiFi 测序分析了阿姆斯特丹痴呆队列中 92 名阿尔茨海默病患者与 117 名健康百岁老人的甲基化特征，在风险单倍型 TMEM106B 的 3’非翻译区（3’UTR）发现了一个 AluYb8 逆转座子。进一步的甲基化分析显示，携带该 AluYb8 元件的 TMEM106B 单倍型甲基化水平显著高于未携带该元件的单倍型，为神经退行性疾病的表观遗传机制研究提供了新视角⁸。
• 微生物基因组研究：DNA甲基化碱基的同步检测为微生物研究带来了变革⁹，已被广泛应用于分析甲基化对微生物致病性¹⁰、免疫系统侵袭能力等方面的影响¹¹，推动了微生物表观遗传学的发展。

 
表观遗传学研究的新工具

PacBio HiFi测序技术正为深入理解表观遗传调控机制开辟新路径。从癌症研究的突破性发现到罕见病机制的解析，HiFi 测序不断解锁新的研究可能，已成为现代生物学研究中不可或缺的工具。

表观遗传学蕴含着诸多生命科学的奥秘，而借助 HiFi 测序这类技术，我们才刚刚开始发掘其全部潜力。通过在单次实验中整合遗传、表观遗传与转录组数据，科学发现的可能性将无穷无尽。如今，研究人员能够以更全面的视角攻克长期悬而未决的科学问题，填补分子机制与系统水平研究之间的空白。

PacBio 持续为基因组研究设立新标准，通过技术创新引领表观遗传学及相关领域的发展。凭借这些技术进步，科学界有望在全球健康领域的重大挑战中找到解决方案。