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NAR丨史偈君/刘君等开发核酸修饰的碱基转换测序通用比对算法

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-12-19 00:13

正文

随着表观遗传学和表观转录组学的快速发展，近年来涌现出大量RNA修饰和DNA修饰的检测方法。其中碱基转换（Base Conversion，简称为BC）方法由于能达到单碱基分辨率，对下游靶标发现和机制探索最为有利。按照碱基转换方式，BC 方法可分为三类：单路转换，如用于检测 5mC 的 C-to-T 转换，或用于检测 m6A 的 A-to-G 转换【1,2】；多路转换，如用于检测 m1A 的A -to- C/G/T转换【3】；缺失转换，如用于检测假尿嘧啶的Ψ-to-deletion转换【4,5】。结合高通量测序技术，BC 方法能够识别全基因组/全转录组的修饰位点，精度优于基于免疫沉淀的方法。

然而，多种多样的 BC 方法使数据分析面临着前所未有的挑战。目前，尚无生物信息学工具能够全面处理多样化的 BC 数据。数据比对是其中的关键难题，现有的主要策略包括“突变率策略”和“转换敏感策略”。前者将碱基转换视为错配而产生比对罚分，这会导致reads匹配到错误位置，或被错误丢弃；后者虽然在理论上更加合理，但现有工具尚不支持多路转换和缺失转换等复杂 BC 数据的处理。

为应对这一挑战，同济大学史偈君课题组与北京大学刘君课题组合作，基于核酸序列的位掩码设计和位数运算，开发了BASAL（BAse-conversion Sequencing ALigner）这一新型比对工具，能够准确处理转换碱基的比对罚分，并支持目前所有BC数据的分析（图1）。该成果于近日发表于Nucleic Acids Research，题为BASAL: a universal mapping algorithm for nucleotide base-conversion sequencing【6】。

图1：成果概述

BASAL不仅能准确识别已知的修饰位点，还发现了大量新修饰位点（图2）。特别是对于检测RNA假尿嘧啶修饰（Ψ）的诱导缺失转化数据，BASAL比已有工具能发现更多的Ψ位点。通过比较BASAL新发现位点和已知位点的基序，发现 BASAL在识别连续尿嘧啶序列环境中的Ψ方面具有独特的能力，这些位点已被证实与特定生物学功能密切相关【5】。并且，BASAL新发现的Ψ位点也得到了质谱数据和qPCR实验数据的交叉验证，进一步证实了BASAL结果的可靠性。除bulk suquencing数据外，BASAL还改进了单细胞m6A数据的分析，发现了被前人忽视的细胞亚群和分化轨迹，凸显了其在解读单细胞表观转录组学数据方面的巨大潜力。

图2：BASAL识别大量未被已有工具发现的RNA假尿嘧啶（Ψ）位点

总之，BASAL 是首个RNA和DNA修饰数据的通用比对算法，能够支持所有碱基转化测序数据的准确分析。由于能正确处理转换碱基的罚分，BASAL显著提高了测序数据的利用率和分析质量，不仅能发现更多可靠的RNA修饰位点，还能准确分析单细胞m6A数据，揭示与生物功能相关的细胞亚群和进化方向，将有助于推动表观基因组学/表观转录组学的突破性发现。

同济大学生命科学与技术学院的史偈君研究员、北京大学生命科学学院的刘君研究员为本文共同通讯作者，史偈君课题组的博士生徐默萍、王淼和刘君课题组的博士生刘潇阳为本文共同第一作者。同济大学高亚威教授、史偈君课题组的研究生罗婷婷也在本工作中有重要贡献。

原文链接：https://doi.org/10.1093/nar/gkae1201

BASAL工具发布链接：https://github.com/JiejunShi/BASAL

制版人：十一

参考文献

1. Xiao,Y.-L., Liu,S., Ge,R., Wu,Y., He,C., Chen,M. and Tang,W. (2023) Transcriptome-wide profiling and quantification of N6-methyladenosine by enzyme-assisted adenosine deamination. Nat Biotechnol, 10.1038/s41587-022-01587-6.

2. Liu,C., Sun,H., Yi,Y., Shen,W., Li,K., Xiao,Y., Li,F., Li,Y., Hou,Y., Lu,B., et al. (2022) Absolute quantification of single-base m6A methylation in the mammalian transcriptome using GLORI. Nat Biotechnol, 10.1038/s41587-022-01487-9.

3. Zhou,H., Rauch,S., Dai,Q., Cui,X., Zhang,Z., Nachtergaele,S., Sepich,C., He,C. and Dickinson,B.C. (2019) Evolution of a reverse transcriptase to map N1-methyladenosine in human messenger RNA. Nat Methods, 16, 1281–1288.

4. Dai,Q., Zhang,L.-S., Sun,H.-L., Pajdzik,K., Yang,L., Ye,C., Ju,C.-W., Liu,S., Wang,Y., Zheng,Z., et al. (2022) Quantitative sequencing using BID-seq uncovers abundant pseudouridines in mammalian mRNA at base resolution. Nat Biotechnol, 10.1038/s41587-022-01505-w.

5. Zhang,M., Jiang,Z., Ma,Y., Liu,W., Zhuang,Y., Lu,B., Li,K., Peng,J. and Yi,C. (2023) Quantitative profiling of pseudouridylation landscape in the human transcriptome. Nat Chem Biol, 10.1038/s41589-023-01304-7.

6. Xu,M., Liu,X., Wang,M., Luo,T., Gao,Y., Liu,J., Shi,J. (2024) BASAL: a universal mapping algorithm for nucleotide base-conversion sequencing. Nucleic Acids Res, 10.1093/nar/gkae1201.

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