国际著名期刊《核酸研究》（Nucleic Acids Research）2021年4月19号发表了武汉大学药学院王连荣教授课题组在细菌DNA磷硫酰化领域的最新突破。这项工作探索出在温和反应条件下标记效率高、特异性强的磷硫酰化酶促及化学标记方法，在真正意义上实现了磷硫酰化在DNA单分子水平的可视化，使我们得以深入地揭示基因组磷硫酰化修饰的独特特征。

论文题为“Single-molecule optical mapping of the distribution of DNA phosphorothioate epigenetics”（《利用单分子光学成像揭示DNA上磷硫酰化表观修饰的分布》）。武汉大学药学院博士生魏月、博士后黄琴琴（现为郑州大学副教授）为论文并列第一作者，王连荣教授为论文通讯作者。

DNA磷硫酰化修饰是迄今为止唯一一种存在于DNA磷酸骨架上的表观遗传修饰。细菌磷硫酰化系统参与了宿主的基因转录调控、抗噬菌体防御系统、胞内氧化还原平衡等诸多生理过程。DNA单分子水平上的磷硫酰化修饰位点如何分布一直是该领域亟待回答的科学问题。此前针对这一表观遗传修饰的检测大多依赖于液质联用以及三代测序等技术，而由这些方法获得的检测结果往往是进行整体平均，无法有效地展示单个DNA分子上磷硫酰化修饰分布的特征规律、以及分子间的分布差异。

王连荣课题组创新性地利用两种方法分别对单链和双链磷硫酰化修饰进行荧光可视化特异性标记（如图），对细菌染色体DNA、质粒DNA和λ噬菌体基因组DNA进行了荧光标记，绘制了磷硫酰化位点的光学图谱，并揭示了磷硫酰化修饰在细菌基因组单分子水平上的独特分布特征。首先，不论是单链还是双链DNA磷硫酰化，修饰位点在DNA分子之间显著不同，即呈现异质性；其次，磷硫酰化位点的个数和位置在DNA上呈现随机性和不均一的分布状态。但有意思的是，相邻DNA磷硫酰化位点之间的间距呈现规律性，微生物更倾向产生相对距离较近的修饰分布态势。>30% 集中在1.5~4 kb，>50% 集中在4~10 kb。也就是说修饰蛋白在基因组选择修饰位点时，除了识别CCA、GAAC/GTTC核心序列，修饰位点分布的密度也是位点选择的关键因素。这可能是因为相对距离更小的修饰有助于宿主DNA抵抗自身磷硫酰化修饰系统限制蛋白的限制作用。

该研究实现了单分子水平的磷硫酰化修饰检测，进一步加深了我们对磷硫酰化修饰分布规律的认识，同时使对DNA磷硫酰化修饰的检测达到了单分子的水平。这项工作揭示了磷硫酰化修饰在DNA单分子水平的“真面目”，发现与其它DNA表观修饰迥然不同，即DNA磷硫酰化修饰在不同DNA分子上的分布呈现高度异质性但是修饰位点间距又呈规律性的独特特征，为我们解析磷硫酰化修饰位点选择机制以及限制蛋白如何利用磷硫酰化结构和分布密度进行“自我-入侵DNA”的鉴别提供了依据。