动物群体甲基化如何讲故事？

DNA甲基化是DNA化学修饰的一种形式，能够在不改变DNA序列的前提下，改变基因表达，从而使表型发生变化。DNA甲基化是一种非常保守的表观遗传修饰，其广泛存在于生物体内，在不同的物种间、相同物种不同环境，同一物种不同发育时期都会存在一定的变化，从DNA甲基化角度探究同一物种不同组织器官以及广泛物种之间的变化，将有助于加深我们对发育及进化的理解，为复杂性状的遗传进化以及生物调控机制研究提供新的思路。

近期，我们分享了植物群体甲基化的研究策略和文献。今天，换个方向，聊聊动物的群体甲基化。

  文献一  

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  • 英文标题：Comparative analysis of genome-scale, base-resolution DNA methylation profiles across 580 animal species

  • 中文标题：580种动物甲基化图谱比较分析

  • 发表期刊：Nature Communications

  • 发表时间：2023年1月16日

  • 影响因子：16.6

  • 主要技术：RRBS测序以及公开WGBS数据

  • 样本选择：580种动物物种（535种脊椎动物，45种无脊椎动物）

为了研究脊椎动物中DNA甲基化的进化动态，样本收集包括所有脊椎动物类别，以及几类海洋无脊椎动物，其中许多与脊椎动物密切相关（在研究用作外群）。总的类别：156种无脊椎动物、1种无颚脊椎动物、32种软骨鱼（软鳞鱼）、565种硬骨鱼（软鳍鱼）、74种两栖动物（两栖类）、280种爬行动物、607种鸟类、70种有袋哺乳动物/袋兽类，以及658种真兽类哺乳动物（哺乳纲）。由于物种跨度较广，实际研究中，研究者选择多种组织（尤其是心脏和肝脏，以便跨物种比较）和多个个体，性别比例尽量平衡，重点放在年轻成年动物上。

此研究对580个物种和总共2443个初级样品进行了基因组规模的DNA甲基化分析。使用RRBS（酶切位点选择CCGG (MspI) 和TCGA (TaqI)）进行DNA甲基化分析，得到了2443个器官的全基因组水平DNA甲基化图谱。对这一大型DNA甲基化数据集的生物信息学分析量化了DNA甲基化与脊椎动物在进化过程中基因组DNA序列变化之间的关联，结果说明“基因组密码”的存在。DNA甲基化可能有助于稳定脊椎动物组织身份的基本调节过程，其方式在大进化距离上是保守的。以个体器官为主要关注点的分析说明DNA甲基化与组织类型的深度保守关联，对基因启动子的DNA甲基化进行交叉映射分析揭示了同源基因在进化过程中的变化。总之，这项研究建立了一个庞大的脊椎动物和无脊椎动物DNA甲基组数据资源，为没有参考基因组的物种中进行无参考表观基因组分析提供了一个参考方法，并为脊椎动物复杂演化过程研究提供了一个表观遗传学的视角。

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  文献二  

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  • 英文标题：DNA methylation networks underlying mammalian traits

  • 中文标题：哺乳动物特征的DNA甲基化网络

  • 发表期刊：Science

  • 发表时间：2023年8月11日

  • 影响因子：56.9

  • 主要技术：Illumina HorvathMammalianMethylChip40 BeadChip

  • 样本选择：348种哺乳动物物种(331种真兽类，15种有袋类动物，两种单孔目动物)中，对70种组织类型共计15,456个DNA样本。

此项研究采用了哺乳动物甲基化测序芯片，生成了15,456个样本DNA甲基化数据集，以探究DNA甲基化与物种系统发育之间的关系。利用DNA甲基化数据构建表观遗传进化树，研究人员发现在高度保守的DNA区域CpG位点的甲基化水平同样可以反映传统的系统发育树，研究人员还使用了Blomberg的统计方法识别出一组在甲基化与系统发育树之间具有显著关联的CpG位点，特别是富集于上游间基因区域。研究人员使用WGCNA方法，将具有相似甲基化模式的CpG位点组成共甲基化模块，并用“模块特征基因”来总结这些模块的甲基化特征。这些模块的特征基因被发现与发育、免疫、代谢、生殖、干细胞、应激响应、衰老和信号通路等多种生物过程有关。

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  文献三  

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  • 英文标题：DNA methylation rates scale with maximum lifespan across mammals

  • 中文标题：DNA甲基化水平与哺乳动物最长寿命呈负相关

  • 发表期刊：Nature Aging

  • 发表时间：2023年12月4日

  • 影响因子：16.6

  • 主要技术：Illumina HorvathMammalianMethylChip40 BeadChip

  • 样本选择：42种哺乳动物皮肤和血液

此研究利用哺乳动物甲基化芯片进行捕获测序数据进行后续分析，首先通过聚类剔除异常离群数据和性成熟前数据，随后建立统计模型，按照寿命长短情况进行排序，将相邻物种进行两两比较筛选到年龄相关CpG位点，计算各物种甲基化率。从而比较它们之间的关系，最终发现了DNA甲基化率与最大寿命之间的稳定关联。此外，通过模拟数据实验证明了该模型方法的可靠性。通过对哺乳动物血液和皮肤DNA甲基化数据的深入分析，揭示了甲基化率与最大寿命之间存在的尺度关系。在这两种组织中，观察到甲基化率与最大寿命呈负尺度关系，即随着寿命增加，甲基化率呈下降趋势。这一关系在血液和皮肤中都显著而一致，且与体重关联不大。总而言之，该研究通过对于不同物种DNA甲基化数据与寿命关联，为后续推断物种寿命提供了新的途径。

  文献四  

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  • 英文标题：Cross-species comparative DNA methylation reveals novel insights into complex trait genetics among cattle, sheep and goats

  • 中文标题：跨物种DNA甲基化比较为牛、绵羊和山羊复杂性状遗传机制提供新见解

  • 发表期刊：Molecular Biology and Evolution

  • 发表时间：2024年2月1日

  • 影响因子：10.7

  • 主要技术：WGBS、RNA-seq

  • 样本选择：以胚胎三个胚层分化后的3种体细胞组织（大脑、肝脏和骨骼肌）以及精子。

牛（3至4岁；荷斯坦牛，健康），山羊（2至3岁；云上黑山羊，健康），和羊（2至3岁；特克赛尔，健康），3个生物学重复。

该研究针对收集样本进行全基因组甲基化测序（WGBS）和转录组测序（RNA-seq），对物种间保守/牛特异的DNA甲基化区域进行了鉴定，并对反刍家畜的表观基因组进化特征进行了系统地解析。该研究进一步整合多组学数据，包括来自牛的大规模QTLs和GWAS的结果进行整合分析，揭示利用物种间保守的DNA甲基化区域有助于阐释牛复杂性状遗传变异的调控功能；解析了牛复杂性状相关GWAS位点在物种间保守的DNA甲基化区域的分布特征。总的来说，本文的研究提供了一个系统表观基因组进化图谱，并为理解影响牛、绵羊和山羊复杂性状的进化机制奠定了基础。

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随着高通量测序技术的不断发展，研究不止步于基因序列的差异，对于表观基因组学的研究也在不断深入；90%遗传变异是位于非编码区域，这些遗传变异如何发挥调控功能进而影响复杂性状表型的分子机制尚不清楚；比较表观基因组学的研究可以帮助我们了解物种的起源、进化和分化，以及表观基因组的功能和调控机制。比较基因组学结合比较表观基因组学都是非常重要的学科，它们的发展将为我们深入了解基因组和表观基因组的结构、功能和进化提供新的视角。

大样本群体表观组学能够覆盖不同物种、不同个体和不同组织，提供广泛的数据支持。这种广泛的适用性有助于全面理解生物现象的复杂性；并且大样本允许深入研究个体差异。通过研究群体中不同个体的表观组学特征，可以揭示遗传和环境因素如何影响甲基化模式。研究不同物种的甲基化特征可以揭示进化过程中表观遗传机制如何发挥作用。这对于理解生物进化和适应性具有重要意义。爱基百客提供领先的表观组学技术服务，如有大样本群体表观组学需求的老师欢迎联系我们~

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