2017-09-14
DNA甲基化是植物表觀遺傳的一種重要形式，包括異染色質和影響基因表達兩種方式。DNA甲基化引起的大量變異已經被揭露。然而，開花植物的DNA甲基化修飾尚不清楚。國際著名學術期刊Genome Biology在線發表了美國佐治亞大學研究組的題為“Widespread natural variation of DNAmethylation within angiosperms”研究論文。Niederhuth等通過DNA甲基化測序比較了34個不同被子植物的單堿基分辨率全基因組DNA甲基化圖譜。
1 全基因組DNA甲基化修飾
圖(tu)1a-c全基(ji)(ji)因組(zu)甲基(ji)(ji)化(hua)水平最終提供(gong)了一個(ge)不同物(wu)種的比(bi)較標(biao)準；圖(tu)1d揭(jie)(jie)示(shi)不同的DNA甲基(ji)(ji)化(hua)修(xiu)飾方式的組(zu)成比(bi)例，各物(wu)種之間mCG修(xiu)飾方式最普遍存(cun)在(zai)，其次(ci)為mCHG和mCHH；圖(tu)1e-g顯(xian)示(shi)每個(ge)位點(dian)的DNA甲基(ji)(ji)化(hua)水平分布規(gui)律(lv)，揭(jie)(jie)示(shi)了細(xi)胞被甲基(ji)(ji)化(hua)的比(bi)例。可將(jiang)以上植物(wu)分為三類(lei)家族(zu)：
(1) Brassicaceae家(jia)族：每(mei)個位點(dian)發生mCHG甲基(ji)化的水(shui)平較(jiao)低，CMT3路徑對Brassicaceae家(jia)族植物(wu)的基(ji)因組影(ying)響較(jiao)小；
(2) Fabaceae家族：每個位點發生mCHH甲基(ji)化的水平較低；
(3) Poaceae家族：雖然有(you)CMT2存(cun)在，但(dan)是(shi)mCHH路徑效率較(jiao)低可能直(zhi)接導(dao)致(zhi)每(mei)個位點發(fa)生mCHH甲基化的(de)水平更低；
2. DNA甲(jia)基化的(de)基因組(zu)結構(gou)
DNA甲基(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)往(wang)往(wang)會引起異染色質。導(dao)致基(ji)(ji)因組大小變化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)主要一兩個因素，全基(ji)(ji)因組重(zhong)復(fu)(WGD)事件和(he)(he)重(zhong)復(fu)元件的(de)(de)重(zhong)復(fu)。本研究發(fa)現(xian)，mCG以及mCHG和(he)(he)基(ji)(ji)因組大小之(zhi)間存在(zai)(zai)正相(xiang)關(guan)(guan)(guan)，但是(shi)(shi)mCHH和(he)(he)基(ji)(ji)因組大小無關(guan)(guan)(guan)(圖(tu)(tu)(tu)2a)。同時發(fa)現(xian)，編碼區(qu)mCHG和(he)(he)mCHH甲基(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)水平和(he)(he)基(ji)(ji)因組大小有關(guan)(guan)(guan)，而mCG和(he)(he)基(ji)(ji)因組大小無關(guan)(guan)(guan)(圖(tu)(tu)(tu)2b)。著絲粒和(he)(he)著絲粒區(qu)域是(shi)(shi)DNA甲基(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)最頻(pin)發(fa)的(de)(de)區(qu)域。用100kb的(de)(de)滑動窗口檢測染色體(ti)上DNA甲基(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)分布(圖(tu)(tu)(tu)2c)。mCG和(he)(he)mCHG和(he)(he)DNA甲基(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)及基(ji)(ji)因數(shu)量存在(zai)(zai)負相(xiang)關(guan)(guan)(guan)，也就是(shi)(shi)說這兩種(zhong)DNA甲基(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)形(xing)式(shi)在(zai)(zai)異染色質區(qu)頻(pin)發(fa)(圖(tu)(tu)(tu)2d)。然而，幾(ji)個Poaceae家族(zu)的(de)(de)物種(zhong)基(ji)(ji)因數(shu)量和(he)(he)mCHH水平無關(guan)(guan)(guan)甚至正相(xiang)關(guan)(guan)(guan)(圖(tu)(tu)(tu)2d)。
圖1. 全(quan)基因(yin)組甲基化(hua)水(shui)平
3. 重(zhong)復序列的DNA甲基化
全基因組mCG和(he)mCHG水(shui)平和(he)重復元(yuan)(yuan)件(jian)的增(zeng)殖有關(guan)，而(er)mCHH水(shui)平和(he)重復元(yuan)(yuan)件(jian)的增(zeng)殖無(wu)關(guan)(圖(tu)3a)。CDS區(qu)mCHG和(he)mCHH與(yu)重復元(yuan)(yuan)件(jian)數量有關(guan)，而(er)CDS區(qu)mCG和(he)其(qi)無(wu)關(guan)。在(zai)所有物種(zhong)中，CG區(qu)域常被甲(jia)基化，但CHG和(he)CHH區(qu)域甲(jia)基化頻(pin)率更高(圖(tu)3b)。mCHG在(zai)大多數物種(zhong)的重復區(qu)域頻(pin)發，除了Brassicaceae家(jia)族物種(zhong)之外，同時，mCHH在(zai)Poaceae家(jia)族物種(zhong)中最少(圖(tu)3c)。
圖2. DNA甲基化和基因組的(de)關(guan)系
4. CG基因甲基化
三種(zhong)甲(jia)基(ji)(ji)化(hua)形式都和基(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)的(de)(de)(de)(de)(de)過表(biao)(biao)達(da)有關，基(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)發生mCG甲(jia)基(ji)(ji)化(hua)也(ye)會(hui)繼續表(biao)(biao)達(da)。圖4a顯(xian)示(shi)，所(suo)有物(wu)種(zhong)同源(yuan)基(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)的(de)(de)(de)(de)(de)DNA甲(jia)基(ji)(ji)化(hua)。圖4b統計了所(suo)有物(wu)種(zhong)中gbM基(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)的(de)(de)(de)(de)(de)百分比。GbM基(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)即在(zai)轉錄起始(shi)位點(dian)(TSS)周圍(wei)DNA甲(jia)基(ji)(ji)化(hua)急(ji)劇下降、整(zheng)個基(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)mCG甲(jia)基(ji)(ji)化(hua)增加以及(ji)在(zai)轉錄終(zhong)止位點(dian)(TTS)形成的(de)(de)(de)(de)(de)。GbM基(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)在(zai)大多數(shu)物(wu)種(zhong)中顯(xian)示(shi)出一致的(de)(de)(de)(de)(de)甲(jia)基(ji)(ji)化(hua)趨(qu)勢(圖4c)。基(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)的(de)(de)(de)(de)(de)過表(biao)(biao)達(da)表(biao)(biao)明，盡(jin)管位于(yu)基(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)區的(de)(de)(de)(de)(de)mCG沒有抑制基(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)表(biao)(biao)達(da)，但(dan)是當它在(zai)TSS區時就會(hui)一直基(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)表(biao)(biao)達(da)(圖4d)。
5. 非CG甲基化(hua)基因
基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)內(nei)存在(zai)非CG甲(jia)基(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)會使(shi)得(de)基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)過表(biao)達(da)。基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)的(de)mCHG和mCHH甲(jia)基(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)方(fang)式(shi)類似。基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)的(de)mCHG和mCHH甲(jia)基(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)方(fang)式(shi)和基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)表(biao)達(da)水平(ping)下降(jiang)有關(圖(tu)5b)，mCHG可以單(dan)獨影響基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)表(biao)達(da)水平(ping)的(de)下調。基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)發(fa)生非CG甲(jia)基(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)的(de)概率(lv)為3-32%(圖(tu)5c)。在(zai)Poaceae物(wu)種中(zhong)，發(fa)生mCHG甲(jia)基(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)的(de)基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)占5%。而在(zai)Brassicaceae物(wu)種中(zhong)mCHG方(fang)式(shi)較少，而mCHH為主要的(de)甲(jia)基(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)方(fang)式(shi)。
圖3. 全(quan)基(ji)因組甲基(ji)化水平
6. 非編碼(ma)序列和調控區
在(zai)編碼(ma)(ma)區外，結(jie)合鄰近的(de)轉錄因(yin)子結(jie)合位點(TFBS)或者(zhe)其他(ta)調控元件(jian)發生DNA甲基(ji)化來影響基(ji)因(yin)的(de)表達。我(wo)們驗(yan)證了所有物種(zhong)非編碼(ma)(ma)區(CNS)DNA甲基(ji)化水平(ping)(圖(tu)6a)，三種(zhong)形式甲基(ji)化的(de)水平(ping)都較高(gao)。每個物種(zhong)注釋基(ji)因(yin)上下游2kb區域進(jin)行mCHH島(dao)分(fen)析，發現所占比例(圖(tu)6b)。雖然一(yi)些物種(zhong)的(de)mCHH和(he)(he)基(ji)因(yin)表達存(cun)在(zai)一(yi)定的(de)關系，但是大(da)多數(shu)沒有關系(圖(tu)6c)。基(ji)因(yin)mCHH島(dao)的(de)遠極面mCG和(he)(he)mCHG甲基(ji)化頻發(圖(tu)6d)。
圖4. 基因(yin)過表達影(ying)響因(yin)素(su)
圖5. 基因(yin)的(de)甲基化水平(ping)
圖6. 非編(bian)碼序(xu)列的(de)甲基化模式
總結
本(ben)研究揭示了DNA甲(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)基化(hua)(hua)(hua)廣泛(fan)存(cun)在(zai)(zai)于(yu)(yu)十(shi)字(zi)(zi)花(hua)科(ke)(ke)植(zhi)物(wu)(wu)。鑒定了開花(hua)植(zhi)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)DNA甲(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)基化(hua)(hua)(hua)圖譜，揭示出這些表觀遺傳標記(ji)與植(zhi)物(wu)(wu)進(jin)化(hua)(hua)(hua)歷(li)史之間的(de)(de)(de)(de)關系。利用全基因組亞硫(liu)酸氫鹽測(ce)序來評估34種(zhong)被(bei)子(zi)植(zhi)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)胞嘧啶甲(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)基化(hua)(hua)(hua)模(mo)式。對(dui)于(yu)(yu)十(shi)字(zi)(zi)花(hua)科(ke)(ke)植(zhi)物(wu)(wu)，它包括模(mo)式生物(wu)(wu)擬南芥(jie)及甘藍，研究人員發現(xian)基因體上CG甲(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)基化(hua)(hua)(hua)水平低(di)于(yu)(yu)平常；對(dui)于(yu)(yu)禾(he)本(ben)科(ke)(ke)開花(hua)植(zhi)物(wu)(wu)，研究人員發現(xian)異(yi)染色質CHH甲(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)基化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)缺乏或減少，但(dan)CHH甲(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)基化(hua)(hua)(hua)集中(zhong)在(zai)(zai)基因區域上；開花(hua)植(zhi)物(wu)(wu)之間存(cun)在(zai)(zai)廣泛(fan)的(de)(de)(de)(de)DNA甲(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)基化(hua)(hua)(hua)差(cha)(cha)異(yi)。無(wu)論(lun)是DNA甲(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)基化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)水平，還(huan)是DNA甲(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)基化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)分布，各個物(wu)(wu)種(zhong)之間都存(cun)在(zai)(zai)廣泛(fan)的(de)(de)(de)(de)差(cha)(cha)異(yi)。
參(can)考文獻(xian)
Niederhuth C E, Bewick A J, Ji L, et al. Widespread natural variation of DNA methylation within angiosperms[J]. Genome Biology, 2016, 17(1):194.
