表观遗传修饰——5-羟甲基胞嘧啶检测的研究进展

表观遗传修饰是指在不改变DNA序列的情况下, 基因表达发生的可遗传变化. 5-羟甲基胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosine, 5hmC)是继5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine, 5mC)后发现的表观遗传修饰, 被称为“第六种碱基”. 5hmC广泛分布于哺乳动物的组织和细胞中, 它的异常表达与肿瘤发生、发育性疾病和神经系统疾病密切相关. 由于5hmC的结构与5mC相似, 并且其丰度远远低于5mC, 传统方法难以实现对5hmC的准确和灵敏检测. 近年来, 科学家们结合新的修饰方法和信号放大策略, 发展了一系列超灵敏检测5hmC的新方法, 包括液相色谱串联质谱法、荧光法、电化学法、光电化学法、单碱基分辨率的测序法和单分子检测技术. 这些方法各自具有其独特优势, 有力推动了表观遗传学的发展. 本综述总结了5hmC检测方法的最新研究进展, 并对其面临的挑战和发展趋势做了展望.     

液相色谱-串联质谱分析组织中基因组脱氧核糖核酸羟甲基胞嘧啶水平

5-羟甲基胞嘧啶通过阻止脱氧核糖核酸(DNA)甲基化转移酶1(DMNT1)甲基化胞嘧啶来影响DNA甲基化的程度。本文建立了液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)测定组织中全基因组5-羟甲基胞嘧啶水平的方法。采用苯酚-氯仿提取组织DNA,提取的DNA用88%甲酸在140 ℃下裂解,DNA裂解液加入同位素胞嘧啶作内标,经N2吹干后,加乙腈-水(9:1, v/v)溶解,用LC-MS/MS检测5-羟甲基胞嘧啶的含量,并计算全基因组中5-羟甲基胞嘧啶的水平。结果表明,5-羟甲基胞嘧啶的线性范围为0.1～30 ng/mL,相关系数为0.9969,检出限(信噪比为3计)和定量限(信噪比为10计)分别为0.057 ng/mL和0.090 ng/mL;日内相对标准偏差和日间相对标准偏差分别为5.13%和6.24%;加标回收率为90.24%～97.53%。用该方法检测了大鼠大脑组织DNA羟甲基化水平,平均结果为0.66%。该方法简便,重现性好,灵敏度较高,能满足全基因组5-羟甲基胞嘧啶定量检测的要求。     

液相色谱-串联质谱法同时测定生物组织全基因组DNA甲基化和羟甲基化水平

测定全基因组DNA甲基化和羟甲基化水平对于研究环境污染物暴露的影响及致病机理具有重要的作用。本文建立了液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）同时测定动物组织中全基因组DNA甲基化和羟甲基化水平的方法。从动物组织样品中提取DNA,并将其酶解成单核苷,利用液相色谱-串联质谱法测定5-甲基胞嘧啶核苷、5-羟甲基胞嘧啶核苷和鸟嘌呤核苷的含量,计算全基因组DNA甲基化率和羟甲基化率。利用该方法研究了砷暴露对大鼠肝脏和小脑全基因组DNA甲基化和羟甲基化水平的影响,得到了砷影响DNA甲基化及羟甲基化的初步数据。该方法具有良好的重现性、灵敏度和稳定性,可以同时检测差异较大的DNA甲基化和羟甲基化水平。为同时研究DNA甲基化和羟甲基化水平提供了有力的支持。     

DNA中醛基嘧啶的化学检测

基因组DNA除A、G、T、C四大经典碱基外,还存在上百种稀有碱基。其中,醛基嘧啶(5-醛基胞嘧啶和5-醛基尿嘧啶)是DNA中天然存在的嘧啶类修饰碱基,在哺乳动物细胞中广泛分布。5-醛基胞嘧啶除参与DNA主动去甲基化过程外,还具备独立的表观遗传功能;而5-醛基尿嘧啶通常被认为是一种基因毒性很高的DNA氧化损伤。根据醛基嘧啶的特征结构,有针对性地开发准确、灵敏和简便的检测方法,从全基因组范围内对他们进行定性、定量和区域定位,是进一步明确这类碱基修饰物调控机制的基础和前提。本文从选择性化学标记的角度总结了近年来醛基嘧啶检测方法的研究进展。     

5-甲基胞嘧啶及胞嘧啶无辐射失活的半经典动力学模拟和CASSCF计算

采用半经典动力学方法模拟了5-甲基胞嘧啶(5m-Cyt)和胞嘧啶(Cyt)在267 nm紫外光辐射下的光物理失活过程. 模拟发现, 5m-Cyt 和Cyt 的激发态通过C₅－C₆键的扭曲以及甲基(或H₅)和H₆原子平面外振动失活.失活时, 甲基(或H₅)和H₆原子几乎与环面垂直并指向不同方向, 形成“双自由基态”. 由于甲基的体积比H原子的大, 振动频率较小, 使得C₅原子的变形受到抑制, 导致5m-Cyt 的激发态寿命比胞嘧啶更长. 完全活性空间自洽场(CASSCF)计算显示, 5m-Cyt的圆锥交叉(CI)点能量比Cyt 高0.3 eV, 这也证明5m-Cyt演化至CI 需要克服更大的能垒, 因此激发态寿命长于胞嘧啶.     

荧光小分子2-氨基-5,6,7-三甲基-1,8-萘啶识别dsDNA中胞嘧啶凸出

双链DNA（dsDNA）中单碱基凸出结构（bulge structure）具有重要生物学意义,这种结构也是DNA靶向药物的目标部位之一.荧光小分子2-氨基-5,6,7-三甲基-1,8-萘啶（ATMND）能够通过氢键识别胞嘧啶（cytosine）,因而对dsDNA中凸出的胞嘧啶表现出明显的特异性结合.与其余三种凸出的碱基相比,ATMND与凸出部位胞嘧啶的结合伴随着ATMND荧光的明显猝灭,因而可以用于胞嘧啶凸出结构的识别.利用解旋温度测量、荧光、圆二色光谱对ATMND和存在胞嘧啶凸出结构的dsDNA相互作用进行了研究.荧光滴定结果表明ATMND和dsDNA中凸出部位未配对的胞嘧啶的结合常数K11=4.8×105M？1.通过对含胞嘧啶凸出结构的dsDNA与ATMND结合前后的解旋温度曲线进行解析,发现胞嘧啶凸出结构相邻碱基对凸出的胞嘧啶与ATMND的结合有较大的影响.荧光测量结果也表明ATMND荧光的猝灭效率与凸出结构相邻碱基的类型有关,当相邻碱基为鸟嘌呤（guanine,G）时,荧光猝灭效率最高.基于dsDNA中凸出的碱基对ATMND荧光猝灭效率存在明显差异这一现象,设计了探针DNA实现了乳腺癌相关基因（PGR gene rs3740753）中单核苷酸多态性（G/C变异）的荧光分型.     

电化学免疫传感器检测TET1蛋白

基于Ten-eleven translocation 1(TET1)蛋白催化5-甲基胞嘧啶(5-Methylcytosine,5mC)生成5-羟甲基胞嘧啶(5-Hydroxymethylcytosine,5hmC),结合5hmC抗体的免疫识别反应,建立了一种电化学分析方法用于TET1蛋白的特异性检测.以金纳米颗粒(Au...     

DNA修饰碱基5-甲基胞嘧啶和8-羟基鸟嘌呤的毛细管气相色谱分析及质谱鉴定

探索了GC/FID定量分析DNA修饰碱基 5 甲基胞嘧啶和 8 羟基鸟嘌呤的实验条件 ,用GC/MS鉴定各有关成分。结果表明 ,DNA水解物中不同成分可被成功地衍生和分离 ;5 甲基胞嘧啶和 8 羟基鸟嘌呤的相对摩尔反应因子分别为 3 0和 1 3;灵敏度分别为 5 50× 1 0 9mV·s/ g和 7 59× 1 0 1 0 mV·s/ g ;检测限可分别达 36 4pg/s和 1 5 8pg/s ;整个分析流程的相对标准偏差小于 2 0 %。     

DNA修饰碱基5-甲基胞嘧啶和8-羟基鸟嘌呤的毛细管气相色谱分析及质谱鉴定

 探索了GC/FID定量分析DNA修饰碱基 5 甲基胞嘧啶和 8 羟基鸟嘌呤的实验条件 ,用GC/MS鉴定各有关成分。结果表明 ,DNA水解物中不同成分可被成功地衍生和分离 ;5 甲基胞嘧啶和 8 羟基鸟嘌呤的相对摩尔反应因子分别为 3 0和 1 3;灵敏度分别为 5 50× 1 0 9mV·s/ g和 7 59× 1 0 1 0 mV·s/ g ;检测限可分别达 36 4pg/s和 1 5 8pg/s ;整个分析流程的相对标准偏差小于 2 0 %。     

5-甲基胞嘧啶锁核酸的合成新方法

设计了一种新的合成5-甲基胞嘧啶锁核酸{(1R,3R,4R,7S)-3-[(5-甲基-4-N-苯甲酰基胞嘧啶-1-基)-7-(2-氰基乙氧基)-(N,N-二异丙基)膦氧代]-1-(4,4’-二甲氧基三苯代甲基氧基甲基)-2,5-二氧杂二环-[2.2.1]庚烷(1)}的方法。以3-苄氧基-4-C-羟甲基-1,2-O-异亚丙基-α-D-呋喃核糖为起始原料,经取代、水解等12步反应合成了1,总收率21.0%,其结构经1H NMR和MS确证。     

双核Pt(Ⅳ)配合物与Guanosine-5''''-Monophosphate和Glutathione反应的核磁共振光谱研究

合成了一个新型的双核Pt(Ⅳ)配合物{[cis-Pt(NH3)2Cl(OH)2]2(4,4'-methylenedianiline)}(NO3)2(化合物1)及相应的 15N标记化合物{[cis-Pt(15NH3)2Cl(OH)2]2(4,4'-methylenedianiline)}(NO3)2(化合物15N-1).利用1H NMR和ESMS进行了结构表征,化合物15N-1的2D[1H,15N]HSQC NMR发现,该化合物在水溶液中存在同分异构体.2D[1H,15N]HSQC NMR技术跟踪了化合物15N-1与Guanosine-5'-Monophosphate(5'-GMP)和Glutathione(GSH)的反应.结果显示,5'-GMP能在0.5 h内将化合物1还原,而GSH在6 h以后才能够部分的将化合物1还原.化合物1所表现出来的反应性能将有利于提高其治疗效果和降低毒副作用.     

Quantification of 5-methylcytosine, 5-hydroxymethylcytosine and 5-carboxylcytosine from the blood of cancer patients by an enzyme-based immunoassay

Background

Genome-wide aberrations of the classic epigenetic modification 5-methylcytosine (5mC), considered the hallmark of gene silencing, has been implicated to play a pivotal role in mediating carcinogenic transformation of healthy cells. Recently, three epigenetic marks derived from enzymatic oxidization of 5mC namely 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), 5-formylcytosine (5fC) and 5-carboxylcytosine (5caC), have been discovered in the mammalian genome. Growing evidence suggests that these novel bases possess unique regulatory functions and may play critical roles in carcinogenesis.

Methods

To provide a quantitative basis for these rare epigenetic marks, we have designed a biotin–avidin mediated enzyme-based immunoassay (EIA) and evaluated its performance in genomic DNA isolated from blood of patients diagnosed with metastatic forms of lung, pancreatic and bladder cancer, as well as healthy controls. The proposed EIA incorporates spatially optimized biotinylated antibody and a high degree of horseradish-peroxidase (HRP) labeled streptavidin, facilitating signal amplification and sensitive detection.

Results

We report that the percentages of 5mC, 5hmC and 5caC present in the genomic DNA of blood in healthy controls as 1.025 ± 0.081, 0.023 ± 0.006 and 0.001 ± 0.0002, respectively. We observed a significant (p < 0.05) decrease in the mean global percentage of 5hmC in blood of patients with malignant lung cancer (0.013 ± 0.003%) in comparison to healthy controls.

Conclusion

The precise biological roles of these epigenetic modifications in cancers are still unknown but in the past two years it has become evident that the global 5hmC content is drastically reduced in a variety of cancers. To the best of our knowledge, this is the first report of decreased 5hmC content in the blood of metastatic lung cancer patients and the clinical utility of this observation needs to be further validated in larger sample datasets.     

The facile synthetic method of 5-hydroxymethyluracil

One practical and industrial procedure for preparation of 5-hydroxymethyluracil has been developed. This method has the advantage of facile operation, low cost and stable yield.     

Thermal analysis of laser-controlled 5-aminotetrazole propellant

Resorting to the continuous assistance of external laser radiation, laser augmented chemical propulsion (LACP) reveals superior combustion performance. However, the corresponding combustion theories have still to be ascertained for this innovative propulsion technique. Thermal characteristics of 5-aminotetrazole (5-ATZ) propellant are studied for LACP. In nitrogen environment, unique structures of burning surface are formed under laser ablation in bare samples of 5-ATZ propellant pressed powders. Resorting to an outer tube, a thermocouple is inserted in 5-ATZ propellant samples to obtain the temperature trace during combustion. In analogy with the burning surface structure reconstructed by micro computed tomography (MicroCT), the temperatures values of three significant regions were obtained. The experimental dependences of the measured temperatures on environment pressure and laser power are discussed.     

五价钒电解液稳定性研究

V 5的稳定性是指在溶液中不出现V2O5轻微沉淀的时间。钒电池是一种反复可充的高效储能新型无污染化学电池[1],与其它电池相比,钒电池具有不可替代的优势[2,3]。该电池活性物质是溶解在强酸溶液中的钒的氧化物或化合物。电解液中钒离子的浓度大小和电解液的多寡决定了电池的容量     

Sr3Cu5O8＋x和CaSrCu5O5＋x的结构和电学性质

继Y-Ba-Cu-O之后,具有更高T_5的Bi-Sr-Ca-Cu-O(简称BSCCO)体系的发现引起了人们对高温超导研究的兴趣。研究表明,在BSCCO中存在110K和80K2个超导相。由于在制备BSCCO过程中存在复杂的Ca、Sr和Cu复合氧化物,要得到稳定的110K相相当困     

Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3基固体复合电解质的制备及锂离子导电行为

将聚氧化乙烯(PEO)和二(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiTFSI)混合(固定EO/Li摩尔比为13)后, 采用溶液浇注法制备了一系列不同Li_1.5Al_0.5Ge_1.5(PO₄)₃(LAGP)与PEO质量比的LAGP-PEO(LiTFSI)固体复合电解质体系. 结合电化学阻抗法、 表面形貌表征以及与惰性陶瓷填料(SiO₂, Al₂O₃) 性能的对比分析, 探讨了LAGP在固体复合电解质中的作用机理以及锂离子的导电行为. 结果表明, 在以LAGP为主相的固体复合电解质中, PEO主要处于无定形态, 整个体系主要为PEO与LiTFSI的络合相、 LAGP与PEO(LiTFSI)相互作用形成的过渡相和LAGP晶相. 其中LAGP作为主要的导电基体不仅起到降低PEO结晶度、 改善两相导电界面的作用; 同时自身也可以作为离子传输的通道, 降低锂离子迁移的活化能, 从而使离子电导率得到提高. 当LAGP与PEO的质量比为6:4时, 固体复合电解质的成膜性能最好, 离子电导率最高, 在30 ℃时为2.57×10^-5 S/cm, 接近LAGP的水平, 电化学稳定窗口超过5 V.