DNA測序已經為科學家提供了豐富的關于生物系統(tǒng)的信息，不過迄今為止的研究大多集中在對基因組DNA序列和重亞硫酸鹽處理后的堿基序列進行比較，分析四種標準堿基和5-甲基胞嘧啶。研究顯示核苷酸的許多其他化學修飾也控制著基本生命功能，能影響病原體毒力，并與多種疾病相關。而這些修飾不能通過傳統(tǒng)測序方法進行檢測。在此背景下，本綜述著重介紹了一些新興的具有直接檢測多種DNA堿基修飾類型潛力的單分子測序技術，文章發(fā)表在Current Opinion in Structural Biology雜志上。

基因組和轉錄組的堿基排列決定了所有生物的遺傳藍圖和細胞特征，因此核酸測序是研究生物系統(tǒng)最重要的技術之一。二十世紀六十年代末期科學家實現了在群體中對同一DNA分子的4種標準堿基序列進行解碼，并且通過Sanger測序發(fā)展了一種高通量的自動化技術。隨后，第二代測序技術以更低的成本提供了更高的DNA測序通量，盡管該技術以犧牲讀長為代價。最近新興的單分子測序方法，有望為科學家提供極長的DNA測序讀段，更快的測序速度，更少的測序前處理步驟，和更強的分析復雜異構DNA混合物的能力。

DNA除了攜帶基本遺傳信息以外，還含有表觀遺傳學修飾信息。表觀遺傳修飾現象出現在包括病毒和噬菌體的幾乎所有生物體內。這種修飾隨著空間（生物體不同組織和細胞類型）和時間（生物體生命周期的不同階段）的不同而變化，大大擴展了DNA的結構復雜性和信息含量。在高等真核生物中，最常見的表觀遺傳標記是5-甲基胞嘧啶(5- mC)，5- mC 是DNA 復制后DNA甲基轉移酶催化產生的。5-mC能影響基因表達、基因組印跡、轉座因子抑制和X染色體失活，是生長和發(fā)育所必須的，并且涉及多種疾病（包括自閉癥和結腸癌）。5-mC測序通常要經重亞硫酸鹽的化學處理，將所有胞嘧啶殘基轉化為尿嘧啶只留下5-mC不變，隨后對DNA產物進行擴增將尿嘧啶轉化為胸腺嘧啶T。已有多篇文章對該方法和其他基于芯片的非測序方法進行了綜述。也有文獻對不同重亞硫酸鹽方法的優(yōu)劣進行了詳細比較。

雖然針對基因組中4種標準堿基以及5-mC（通過重亞硫酸鹽測序）的測序技術不斷進步，在速度和效率上不斷增加，成效顯著，但是對DNA其他重要化學修飾形式進行測序檢測的方法卻發(fā)展得格外緩慢。在此背景下，我們總結了現有的DNA化學修飾知識，回顧了獲得這些信息的方法技術，并著重強調了能檢測DNA堿基修飾的新興測序方法。

DNA有很多種重要的功能性修飾（圖1）。除了5-mC以外，在多種哺乳動物細胞中還檢測到了5- mC被Tet酶家族氧化形成的5-羥甲基胞嘧啶 (5-hmC)，且5-hmC與胚胎干細胞分化、細胞發(fā)育和致癌作用相關。重亞硫酸鹽處理方法能檢測5-hmC，但不能將其與5-mC區(qū)分開。最近在小鼠胚胎干細胞和器官中發(fā)現了5-甲酰胞嘧啶 (5- fC),和5-羧基胞嘧啶 (5-caC)，這使胞嘧啶的化學修飾形態(tài)總數增加為4種，并且引發(fā)了人們對是否還存在其他胞嘧啶表觀遺傳學形態(tài)的興趣。另有研究發(fā)現在原生生物、植物和蚊子中存在N6-甲基腺嘌呤(6-mA)，有間接證據顯示6-mA在哺乳動物中也可能存在。研究人員在特定細胞類型中發(fā)現了一些影響特定功能的堿基修飾，如尿嘧啶在先天免疫和適應性免疫中起重要作用，β-D-吡喃葡萄糖氧甲基尿嘧啶（base J)在某些寄生原生動物（如錐蟲）中影響基因調控和端粒功能，核糖核苷在酵母細胞周期中印記酵母交配型轉換。生物通 www.ebiotrade.com

DNA修飾在原核生物中也廣泛存在。細菌的已知表觀遺傳學修飾大多數是限制性內切酶目標序列的甲基化，作為細菌DNA抵御病原體入侵的識別標志。這種限制修飾系統(tǒng)的三種最普遍的堿基修飾是，4-甲基胞嘧啶 (4-mC), 5-mC和6-mA，但也存在其他類型的修飾如硫替代磷酸鹽的非橋接氧形成的硫代磷酸修飾。最近幾年，研究人員發(fā)現的限制修飾系統(tǒng)數量增長的很快（圖2）。DNA腺嘌呤甲基轉移酶（Dam）形成的6-mA，能調控細胞周期和DNA復制、復制后錯配修復、基因表達調控、相變轉換phase variation switching和致病性等基本細胞功能。在E. coli中DNA胞嘧啶甲基轉移酶（Dcm）催化的5-mC會降低穩(wěn)定期核糖體蛋白基因的表達。

除了酶促反應介導的有益堿基修飾，DNA損傷也能造成DNA改變。DNA在內源和外源因素造成的持續(xù)壓力下，堿基的化學穩(wěn)定性有限，在氧化、烷基化、輻射損傷和水解等不同類型損傷的情況下，DNA容易受到化學修飾。這些DNA損傷造成的DNA堿基修飾在生物體內廣泛存在，并對生理狀態(tài)和疾病表現有重要影響。例如，氧化損傷的產物，如8-羰基腺嘌呤和8-羥基鳥嘌呤（這兩種氧化產物在線粒體中尤為廣泛存在）與衰老和阿爾茨海默癥、帕金森癥等神經退行性疾病相關。有害的烷基轉移（如1-甲基腺嘌呤、3-甲基胞嘧啶、O6-甲基鳥嘌呤、或O4-甲基胸腺嘧啶）與膠質瘤和結腸癌有關，不過也能應用于化療中摧毀癌細胞DNA。吸煙、工業(yè)化學物或紫外照射等環(huán)境因素能導致形成二羥環(huán)氧苯并芘（BPDE）和嘧啶二聚體等大化合物，誘發(fā)肺癌和皮膚癌。電離輻射也能造成DNA堿基損傷（如5-羥基胞嘧啶、 5-羥尿嘧啶、5-羥基胸腺嘧啶或胸腺嘧啶乙二醇），通過有害自由基生成的直接或間接影響，導致慢性炎癥、前列腺癌、乳腺癌和結腸癌。尿嘧啶、黃嘌呤、肌苷和胸腺嘧啶（通過5-mC脫氨基）等的脫氨基產物，具有致突變作用并且能導致多種癌癥。基因組DNA在復制過程中整合入核糖核苷酸的損傷類型在酵母中高達0.1%，并與基因組不穩(wěn)定性有關。

5-mC以外的堿基修飾檢測技術大多局限于大型研究方法，如色譜分析、質譜分析、電化學方法、放射性標記和免疫化學分析，或者對限制性內切酶敏感。這些方法一般缺乏確定堿基修飾確切位點和鏈特異性所必須的分辨率。因此急需能直接檢測堿基修飾的測序方法。