全基因組DNA甲基化和轉錄組學分析鑒定調控骨骼肌發(fā)育潛在基因
DNA甲基化是骨骼肌發(fā)育中關鍵的表觀遺傳調控機制。但胚胎鴨骨骼肌發(fā)育中負責DNA甲基化的調控因子仍然未知。
2023年10月23日，南京農業(yè)大學動物科技學院于敏莉副教授團隊在《Int J Mol Sci》雜志發(fā)表題為“The Integration of Genome-Wide DNA Methylation and Transcriptomics Identifies the Potential Genes That Regulate the Development of Skeletal Muscles in Ducks”的研究論文，該研究旨在研究鴨骨骼肌DNA甲基化的調控作用，采用WGBS和RNA-seq方法揭示了鴨骨骼肌DNA甲基化組和轉錄組圖譜，通過DNA甲基化與基因表達的綜合關聯分析，篩選出與DNA甲基化相關的關鍵基因和信號通路，為探索DNA甲基化和鴨骨骼肌發(fā)育的潛在調控機制提供有價值的信息。
標題：The Integration of Genome-Wide DNA Methylation and Transcriptomics Identifies the Potential Genes That Regulate the Development of Skeletal Muscles in Ducks（全基因組DNA甲基化和轉錄組學的整合確定了調節(jié)鴨骨骼肌發(fā)育的潛在基因）
時間：2023-10-23
期刊：International Journal of Molecular Sciences
影響因子：5.6
技術平臺：WGBS、RNA-seq等
研究摘要：
DNA甲基化是骨骼肌發(fā)育過程中重要的表觀遺傳調控機制。然而，在胚胎鴨骨骼肌發(fā)育過程中負責DNA甲基化的調控因子仍不清楚。本研究對胚胎第21天(E21)和第28天(E28)的骨骼肌進行了全基因組重亞硫酸鹽測序(WGBS)和轉錄組測序（RNA-seq）。結果表明DNA甲基化模式主要位于胞嘧啶-鳥嘌呤(CG)區(qū)域，內含子、外顯子和啟動子區(qū)域的甲基化水平較高。研究共鑒定出7902個差異甲基化區(qū)域(DMRs)，對應3174個差異甲基化基因(DMG)。通過對WGBS和轉錄組學的綜合分析，鑒定出1072個與差異表達基因(DEGs)負相關的DMG基因。GO分析顯示磷酸化、激酶活性、磷酸轉移酶活性、醇基受體以及與細胞骨架蛋白的結合顯著富集。KEGG分析顯示MAPK信號、Wnt信號、apelin信號、胰島素信號和FoxO信號顯著富集。富集基因篩選顯示，高甲基化抑制Idh3a、Got1、Bcl2、Mylk2、Klf2、Erbin、Klhl38表達，低甲基化促進Col22a1、Dnmt3b、Fn1、E2f1、Rprm、Wfikkn1表達。進一步預測表明，Klhl38、Klf2、Erbin、Mylk2和Got1啟動子中的CpG島可能在調控骨骼肌發(fā)育中發(fā)揮重要作用。本研究為鴨骨骼肌發(fā)育的表觀遺傳調控提供了新的見解。
研究結果：
（1）鴨骨骼肌中的DNA甲基化模式
圖1：胚胎鴨DNA甲基化表征
（2）差異甲基化區(qū)域 （DMR） 的鑒定
圖2：胚胎鴨不同甲基化區(qū)域(DMRs)和不同甲基化基因(DMG)的鑒定。
（3）甲基化基因的功能富集
圖3：DMG的功能富集分析。
（4）DNA甲基化與基因表達的關聯分析
圖4：DNA甲基化與基因表達的關聯分析。
（5）富集與DEG負相關DMG的關鍵通路
圖5：DMGs和DEGs負相關基因的功能富集分析。
表1：從全基因組DNA甲基化和轉錄組關聯分析中選擇的基因
（6）骨骼肌發(fā)育相關基因的鑒定
圖6：關鍵基因的定量驗證。通過RT-qPCR檢測候選基因在骨骼肌不同發(fā)育階段的相對表達。
A-B. DEGs在PM中上調和(B)下調。
C-D. DEGs在LM中上調和(D)下調。
Β-actin作為內部參照。數值表示為3次重復的平均值±SEM;* p < 0.05， ** p < 0.01。
（7）啟動子CpG島預測
圖7：啟動子CpG島預測。Erbin (A)、Klf2 (B)、Got1 (C)、Klhl38 (D)和Mylk2 €啟動子區(qū)域的CpG島。
研究小結：
通過整合全基因組DNA甲基化和轉錄組分析，系統地鑒定了參與胚胎鴨骨骼肌發(fā)育的DMRs，共鑒定出13個可能與鴨骨骼肌發(fā)育相關的基因。富集基因的篩選表明，高甲基化抑制Idh3a、Got1、Bcl2、Mylk2、Klf2、Erbin和Klhl38表達，低甲基化促進Col22a1、Dnmt3b、Fn1、E2f1、Rprm和Wfikkn1表達。預測了Erbin、Klf2、Got1、Klhl38和Mylk2五個關鍵基因啟動子區(qū)的CpG島。對啟動子區(qū)DNA甲基化與基因表達之間的復雜關系有了新的見解。本文還假設DMRs促進表達水平變化，從而影響了隨后的轉錄和翻譯。這些結果為進一步研究調控鴨骨骼肌發(fā)育的表觀遺傳學機制提供了有價值的信息。
參考文獻：
Lu Y, Zhou J, Li F, Cao H, Zhang X, Yu D, He Z, Ji H, Lv K, Wu G, Yu M. The Integration of Genome-Wide DNA Methylation and Transcriptomics Identifies the Potential Genes That Regulate the Development of Skeletal Muscles in Ducks. Int J Mol Sci. 2023 Oct 23;24(20) pii: ijms242015476.
2023年10月23日，南京農業(yè)大學動物科技學院于敏莉副教授團隊在《Int J Mol Sci》雜志發(fā)表題為“The Integration of Genome-Wide DNA Methylation and Transcriptomics Identifies the Potential Genes That Regulate the Development of Skeletal Muscles in Ducks”的研究論文，該研究旨在研究鴨骨骼肌DNA甲基化的調控作用，采用WGBS和RNA-seq方法揭示了鴨骨骼肌DNA甲基化組和轉錄組圖譜，通過DNA甲基化與基因表達的綜合關聯分析，篩選出與DNA甲基化相關的關鍵基因和信號通路，為探索DNA甲基化和鴨骨骼肌發(fā)育的潛在調控機制提供有價值的信息。
標題：The Integration of Genome-Wide DNA Methylation and Transcriptomics Identifies the Potential Genes That Regulate the Development of Skeletal Muscles in Ducks（全基因組DNA甲基化和轉錄組學的整合確定了調節(jié)鴨骨骼肌發(fā)育的潛在基因）
時間：2023-10-23
期刊：International Journal of Molecular Sciences
影響因子：5.6
技術平臺：WGBS、RNA-seq等
研究摘要：
DNA甲基化是骨骼肌發(fā)育過程中重要的表觀遺傳調控機制。然而，在胚胎鴨骨骼肌發(fā)育過程中負責DNA甲基化的調控因子仍不清楚。本研究對胚胎第21天(E21)和第28天(E28)的骨骼肌進行了全基因組重亞硫酸鹽測序(WGBS)和轉錄組測序（RNA-seq）。結果表明DNA甲基化模式主要位于胞嘧啶-鳥嘌呤(CG)區(qū)域，內含子、外顯子和啟動子區(qū)域的甲基化水平較高。研究共鑒定出7902個差異甲基化區(qū)域(DMRs)，對應3174個差異甲基化基因(DMG)。通過對WGBS和轉錄組學的綜合分析，鑒定出1072個與差異表達基因(DEGs)負相關的DMG基因。GO分析顯示磷酸化、激酶活性、磷酸轉移酶活性、醇基受體以及與細胞骨架蛋白的結合顯著富集。KEGG分析顯示MAPK信號、Wnt信號、apelin信號、胰島素信號和FoxO信號顯著富集。富集基因篩選顯示，高甲基化抑制Idh3a、Got1、Bcl2、Mylk2、Klf2、Erbin、Klhl38表達，低甲基化促進Col22a1、Dnmt3b、Fn1、E2f1、Rprm、Wfikkn1表達。進一步預測表明，Klhl38、Klf2、Erbin、Mylk2和Got1啟動子中的CpG島可能在調控骨骼肌發(fā)育中發(fā)揮重要作用。本研究為鴨骨骼肌發(fā)育的表觀遺傳調控提供了新的見解。
研究結果：
（1）鴨骨骼肌中的DNA甲基化模式
圖1：胚胎鴨DNA甲基化表征
- 實驗設計。
- 鴨胚胎骨骼肌發(fā)育過程中不同甲基化類型的平均比例。甲基化mCG、mCHG和mCHH分別用藍色、橙色和灰色表示。
- 不同甲基化類型甲基化水平總體分布的小提琴圖。右坐標代表不同的序列環(huán)境，包括CG、CHG和CHH, H = A、C或t；左坐標代表甲基化水平，橫坐標代表10 kb為一個bin的不同樣本。
- 不同甲基化類型甲基化密度總體分布的小提琴圖。右邊的坐標代表不同的序列環(huán)境。左側縱坐標表示甲基化水平，橫坐標表示以10kb為一個bin的不同樣本。
- 不同基因組元件的甲基化水平分布。橫坐標為基因組元素，縱坐標為甲基化水平。對所有基因功能區(qū)的C位點水平進行平均，并以不同顏色區(qū)分不同背景。
- 上游/下游2K區(qū)域甲基化水平的分布。橫坐標顯示不同區(qū)域，縱坐標表示甲基化水平。不同環(huán)境被賦予不同的顏色。
（2）差異甲基化區(qū)域 （DMR） 的鑒定
圖2：胚胎鴨不同甲基化區(qū)域(DMRs)和不同甲基化基因(DMG)的鑒定。
- DMRs的維恩圖。
- CG背景下DMRs的長度分布。DMR長度在橫坐標上表示；每個長度處的密度在縱坐標上表示，擬合曲線分布用黑色表示。
- 甲基化水平分布小提琴圖。顯示DMR甲基化水平在CG背景下分布。橫軸表示比較組合組，縱坐標表示甲基化水平值。
- CG背景下的DMR錨定區(qū)。橫坐標表示每個區(qū)域DMR類型，縱坐標表示每個區(qū)域高/低DMR數量。
（3）甲基化基因的功能富集
圖3：DMG的功能富集分析。
- CG背景下富集基因GO分析條形圖。富集GO相關基因分類統計：y軸為富集GO項，x軸為DMR相關基因數量。生物過程和分子功能用不同的顏色來區(qū)分。
- CG背景下富集的KEGG代謝通路散點圖。通路名稱表示在縱軸上，富集因子表示在橫軸上。每個通路中DMR相關基因的數量由點的大小表示，點的顏色對應不同的q值。
（4）DNA甲基化與基因表達的關聯分析
圖4：DNA甲基化與基因表達的關聯分析。
- DMG與DEGs比較分析維恩圖。CG、CHG和CHH不同序列環(huán)境下的DMG。
- CG環(huán)境下DMG和DEGs比較分析韋恩圖。Hyper代表錨定在高甲基化區(qū)域基因，hypo代表錨定在低甲基化區(qū)域的基因；up為高表達基因，down為低表達基因。
（5）富集與DEG負相關DMG的關鍵通路
圖5：DMGs和DEGs負相關基因的功能富集分析。
- 交叉基因富集的GO條形圖。富集GO相關基因分類：富集GO項表示在縱坐標上，DMR相關基因的數量顯示在橫坐標上。使用不同顏色來區(qū)分生物過程、細胞成分和分子功能。
- 交叉基因富集的KEGGs信號通路散點圖。通路名稱顯示在縱軸上，富集因子顯示在橫軸上。每個通路中DMR相關基因的數量由點大小表示，并且點的顏色對應于不同q值。
表1：從全基因組DNA甲基化和轉錄組關聯分析中選擇的基因（6）骨骼肌發(fā)育相關基因的鑒定
圖6：關鍵基因的定量驗證。通過RT-qPCR檢測候選基因在骨骼肌不同發(fā)育階段的相對表達。
A-B. DEGs在PM中上調和(B)下調。
C-D. DEGs在LM中上調和(D)下調。
Β-actin作為內部參照。數值表示為3次重復的平均值±SEM;* p < 0.05， ** p < 0.01。
（7）啟動子CpG島預測
圖7：啟動子CpG島預測。Erbin (A)、Klf2 (B)、Got1 (C)、Klhl38 (D)和Mylk2 €啟動子區(qū)域的CpG島。研究小結：
通過整合全基因組DNA甲基化和轉錄組分析，系統地鑒定了參與胚胎鴨骨骼肌發(fā)育的DMRs，共鑒定出13個可能與鴨骨骼肌發(fā)育相關的基因。富集基因的篩選表明，高甲基化抑制Idh3a、Got1、Bcl2、Mylk2、Klf2、Erbin和Klhl38表達，低甲基化促進Col22a1、Dnmt3b、Fn1、E2f1、Rprm和Wfikkn1表達。預測了Erbin、Klf2、Got1、Klhl38和Mylk2五個關鍵基因啟動子區(qū)的CpG島。對啟動子區(qū)DNA甲基化與基因表達之間的復雜關系有了新的見解。本文還假設DMRs促進表達水平變化，從而影響了隨后的轉錄和翻譯。這些結果為進一步研究調控鴨骨骼肌發(fā)育的表觀遺傳學機制提供了有價值的信息。
參考文獻：
Lu Y, Zhou J, Li F, Cao H, Zhang X, Yu D, He Z, Ji H, Lv K, Wu G, Yu M. The Integration of Genome-Wide DNA Methylation and Transcriptomics Identifies the Potential Genes That Regulate the Development of Skeletal Muscles in Ducks. Int J Mol Sci. 2023 Oct 23;24(20) pii: ijms242015476.
標簽：
DNA甲基化
