WGBS等在揭示植物基因体动态DNA甲基化与基因表达可塑性相关的应用
2023-10-19 来源:本站 点击次数:437
在一些真核生物中，DNA甲基化发生在基因编码区，称为基因体甲基化(gene body methylation，GbM)。尽管DNA甲基化在转座子和重复DNA沉默中的作用已得到很好的表征，但基因体甲基化与转录抑制无关，其生物学重要性尚不清楚。
2023年10月12日，美国加州大学伯克利分校植物与微生物生物学系Ben P. Williams团队在《Genome Biology》杂志上发表题为“Dynamic DNA methylation turnover in gene bodies is associated with enhanced gene expression plasticity in plants”的研究论文，该研究以模式植物拟南芥为研究对象，通过WGBS、EM-seq、RNA-seq等多组学分析揭示了植物genebody中DNA甲基化动态变化与基因表达可塑性增强相关。
标题：Dynamic DNA methylation turnover in gene bodies is associated with enhanced gene expression plasticity in plants（植物genebody中DNA甲基化动态变化与基因表达可塑性增强相关）
时间：2023-10-12
期刊：Genome Biology
影响因子：12.3 / 1区
技术平台：WGBS、EM-seq、RNA-seq、数据库ChIP-seq分析等
研究摘要：
本研究揭示了一种在植物中新发现的基因体甲基化（GbM）类型，它在包括种系在内的所有细胞中均受动态甲基化修饰的组成性添加和去除。动态GbM基因甲基化通过植物特异性DNA去甲基化酶家族（统称为DRDD酶）去甲基化通路去除，并通过未知的de novo甲基化来源添加（最可能是维持甲基转移酶MET1）。分析结果揭示动态GbM状态存在于跨越1亿多年的不同谱系同源基因中，表明了进化保守性。与其他基因体甲基化基因相比，动态GbM与基因体内启动子或调节染色质状态的存在密切相关。动态GbM与发育和不同生理条件下基因表达可塑性增强有关，而稳定甲基化的GbM基因表现出可塑性降低。动态GbM基因在drdd突变体中表现出降低的动态变化，表明DNA去甲基化和基因表达可塑性增强之间存在因果关系。
本研究提出了一种新的GbM调节基因表达可塑性模型（包括一种新型的GbM），其中基因表达塑性的增加与DNA甲基化writers和erasers活性以及调节染色质状态富集相关。
材料方法：
材料：
拟南芥：WT野生型vs DRDD突变体植物
研究结果：
（1）DNA去甲基化靶向基因体子集
图1：拟南芥基因组中两种不同类型的基因体甲基化（GbM）。
（2）DNA去甲基化在所有组织和细胞类型中表现出细胞异质性
图2：动态GbM基因在所有细胞和组织类型中都表现出甲基化异质性。
D. 稳态和动态GbM基因体中所有组织和细胞类型中完全甲基化、异质性甲基化和未甲基化CGs比例
（3）需要De novo甲基化来维持动态GbM
图2：动态GbM基因在所有细胞和组织类型中都表现出甲基化异质性。
D. 稳态和动态GbM基因体中所有组织和细胞类型中完全甲基化、异质性甲基化和未甲基化CGs比例
（3）需要De novo甲基化来维持动态GbM
图3：动态GbM状态由MET1维持。
（4）动态GbM位点在远缘谱系中保守
图4：动态GbM状态的进化保守。
（5）动态GbM与调节染色质状态和增强基因表达可塑性有关
图5：动态GbM与调节染色质标记之间的相关性。
（6）动态GbM与基因表达可塑性增加有关
图6：动态GbM与基因表达可塑性增加有关。
A-B. 箱型图显示了所有基因、稳态GbM和动态GbM基因在发育（A）和不同生理应激条件（B）下的变异系数和Fano因子表达水平。
C. 双尾t检验显示稳态和动态GbM对基因表达可塑性的影响示意图，以Waddington's landscape表示。稳态GbM基因表现出低方差，表明其单一、稳健的基因表达状态。动态GbM基因表现出高方差，表明其可能呈现多种可能的基因表达状态。
D. 动态和稳定的GbM基因在WT和drdd突变体中的高表达和低表达十分位数中的比例。动态和稳定基因的标准差用星号表示。F表示方差相等的F检验（动态GbM p=<0.0001，稳态GbM p=0.1）。
E. 散点图显示与WT和drdd叶片之间的log2倍数变化相比，WT中叶片与其他组织之间的动态GbM基因表达的log2倍数变化（x轴）。基因表达可塑性丧失被预测为具有显著的负相关。
F. 比较稳态GbM基因对照组的等效倍数变化值散点图。R2、p值和线性回归模型的最佳拟合线
研究结论
本研究定义了植物表观遗传学的新表征。基因组中的子集基因体是所有细胞中DNA甲基化writers和erasers标靶，从而产生动态的DNA甲基化变化。这种动态的DNA甲基化状态与“启动子样”染色质状态以及增强的基因表达可塑性相关。此外，研究揭示了典型的基因体甲基化（在所有细胞中都呈稳态）和低可塑性的通道化表达状态之间的明确联系。总的来说本研究为理解真核生物中神秘基因体甲基化的功能作用提供了实质性的进展。
参考文献：
Williams CJ, Dai D, Tran KA, Monroe JG, Williams BP. Dynamic DNA methylation turnover in gene bodies is associated with enhanced gene expression plasticity in plants. Genome Biol. 2023 Oct 12;24(1):227.
2023年10月12日，美国加州大学伯克利分校植物与微生物生物学系Ben P. Williams团队在《Genome Biology》杂志上发表题为“Dynamic DNA methylation turnover in gene bodies is associated with enhanced gene expression plasticity in plants”的研究论文，该研究以模式植物拟南芥为研究对象，通过WGBS、EM-seq、RNA-seq等多组学分析揭示了植物genebody中DNA甲基化动态变化与基因表达可塑性增强相关。
标题：Dynamic DNA methylation turnover in gene bodies is associated with enhanced gene expression plasticity in plants（植物genebody中DNA甲基化动态变化与基因表达可塑性增强相关）
时间：2023-10-12
期刊：Genome Biology
影响因子：12.3 / 1区
技术平台：WGBS、EM-seq、RNA-seq、数据库ChIP-seq分析等
研究摘要：
本研究揭示了一种在植物中新发现的基因体甲基化（GbM）类型，它在包括种系在内的所有细胞中均受动态甲基化修饰的组成性添加和去除。动态GbM基因甲基化通过植物特异性DNA去甲基化酶家族（统称为DRDD酶）去甲基化通路去除，并通过未知的de novo甲基化来源添加（最可能是维持甲基转移酶MET1）。分析结果揭示动态GbM状态存在于跨越1亿多年的不同谱系同源基因中，表明了进化保守性。与其他基因体甲基化基因相比，动态GbM与基因体内启动子或调节染色质状态的存在密切相关。动态GbM与发育和不同生理条件下基因表达可塑性增强有关，而稳定甲基化的GbM基因表现出可塑性降低。动态GbM基因在drdd突变体中表现出降低的动态变化，表明DNA去甲基化和基因表达可塑性增强之间存在因果关系。
本研究提出了一种新的GbM调节基因表达可塑性模型（包括一种新型的GbM），其中基因表达塑性的增加与DNA甲基化writers和erasers活性以及调节染色质状态富集相关。
材料方法：
材料：
拟南芥：WT野生型vs DRDD突变体植物
研究结果：
（1）DNA去甲基化靶向基因体子集
图1：拟南芥基因组中两种不同类型的基因体甲基化（GbM）。
- 基因组浏览器图显示WT和drdd突变体中稳态GbM基因和动态GbM基因的代表性示例。红色条形图表示甲基化胞嘧啶，条形图高度表示胞嘧啶甲基化细胞百分比（比例=0–100%）。
- 稳态和动态GbM基因的数量以及两组之间的重叠维恩图。
- 稳态或动态GbM的整体基因（所有细胞的所有CG）中CG甲基化的总体百分比箱形图。线=中位数；框=四分位数范围；whiskers=第5个百分位和第95个百分位；*p=<0.0001（双尾t检验）。
- 拟南芥基因组中所有CG的甲基化异质性水平分布小提琴图，显示为CG甲基化的细胞百分比。
- 在WT和drdd突变体中，稳态和动态GbM基因体内完全甲基化、异质性甲基化和未甲基化CG比例
（2）DNA去甲基化在所有组织和细胞类型中表现出细胞异质性
图2：动态GbM基因在所有细胞和组织类型中都表现出甲基化异质性。
- 代表性的基因组浏览器快照显示在各种细胞和组织类型的动态GbM位点的异质甲基化CGs（比例=0–100%）。
D. 稳态和动态GbM基因体中所有组织和细胞类型中完全甲基化、异质性甲基化和未甲基化CGs比例
（3）需要De novo甲基化来维持动态GbM
图2：动态GbM基因在所有细胞和组织类型中都表现出甲基化异质性。
- 代表性的基因组浏览器快照显示在各种细胞和组织类型的动态GbM位点的异质甲基化CGs（比例=0–100%）。
D. 稳态和动态GbM基因体中所有组织和细胞类型中完全甲基化、异质性甲基化和未甲基化CGs比例
（3）需要De novo甲基化来维持动态GbM
图3：动态GbM状态由MET1维持。
- met1、ddcc和drdd突变体中动态GbM位点的代表性基因组浏览器快照。比例尺=200 bp。
- 箱形图显示WT、drdd突变体和多个de novo甲基化突变体中动态GbM基因内CGs细胞异质性。
- 显示纯合（homozygous）（−/−) 和杂合（heterozygous ）(+/−) met1突变体以及自身met1杂合子的多个WT分段子代。在B和C中，水平线=中值；框=四分位范围；须（whiskers）=第95个百分位。水平虚线表示用于鉴定非均匀甲基化CGs的临界值（所有细胞中甲基化率为10-85%）
（4）动态GbM位点在远缘谱系中保守
图4：动态GbM状态的进化保守。
- 六个不同物种的具有代表性的动态GbM基因同源物。每个红条代表单CG，条高是细胞间甲基化异质性百分比。虚线代表calling异质性甲基化胞嘧啶（10-85%的细胞）临界值。最右边panel：物种和拟南芥之间的估计分化时间，来自TimeTree。点表示中值发散时间估计，垂直虚线表示95%置信区间。
- 小提琴图显示了动态GbM基因的所有同源物和随机选择的十个相同大小的基因组中异质甲基化CGs的数量（左图）和比例（右图）。实线表示中位数，虚线表示四分位范围；*p=<0.05，***p=<0.0005（双尾t检验）
（5）动态GbM与调节染色质状态和增强基因表达可塑性有关
图5：动态GbM与调节染色质标记之间的相关性。
- 箱形图显示了与动态GbM结构域（蓝色）、稳态GbM结构区（绿色）或总外显子（灰色）重叠的外显子内14个组蛋白修饰的ChIP-seq数据的归一化reads深度。
- 稳态和动态GbM基因体与鉴定的四种染色质状态之间的重叠百分比。
- 在稳态和动态GbM基因体之间重叠的总碱基对，以及在远端启动子区富集的染色质状态。
- 显示稳态和动态GbM基因的基因体长度分布箱形图。
- 箱形图显示基于基因体长分离到bins中稳态和动态GbM基因的H3K4me2-ChIP-seq数据的归一化reads深度。C、D、E、*p=<0.0001（双尾参数t检验）。
- 稳态和动态GbM基因的H3K4me1和H3K4me2 ChIP-seq原始数据的基因组浏览器快照。轨迹代表四项独立研究的WT数据。
- 箱型图显示WT和两种H3K4me2修饰atx1/atx2/atx4/atx5和sdg2降低的突变背景中动态GbM基因甲基化结构域内CGs的细胞异质性； *p=<0.0001（非参数双尾t检验）
（6）动态GbM与基因表达可塑性增加有关
图6：动态GbM与基因表达可塑性增加有关。A-B. 箱型图显示了所有基因、稳态GbM和动态GbM基因在发育（A）和不同生理应激条件（B）下的变异系数和Fano因子表达水平。
C. 双尾t检验显示稳态和动态GbM对基因表达可塑性的影响示意图，以Waddington's landscape表示。稳态GbM基因表现出低方差，表明其单一、稳健的基因表达状态。动态GbM基因表现出高方差，表明其可能呈现多种可能的基因表达状态。
D. 动态和稳定的GbM基因在WT和drdd突变体中的高表达和低表达十分位数中的比例。动态和稳定基因的标准差用星号表示。F表示方差相等的F检验（动态GbM p=<0.0001，稳态GbM p=0.1）。
E. 散点图显示与WT和drdd叶片之间的log2倍数变化相比，WT中叶片与其他组织之间的动态GbM基因表达的log2倍数变化（x轴）。基因表达可塑性丧失被预测为具有显著的负相关。
F. 比较稳态GbM基因对照组的等效倍数变化值散点图。R2、p值和线性回归模型的最佳拟合线
研究结论
本研究定义了植物表观遗传学的新表征。基因组中的子集基因体是所有细胞中DNA甲基化writers和erasers标靶，从而产生动态的DNA甲基化变化。这种动态的DNA甲基化状态与“启动子样”染色质状态以及增强的基因表达可塑性相关。此外，研究揭示了典型的基因体甲基化（在所有细胞中都呈稳态）和低可塑性的通道化表达状态之间的明确联系。总的来说本研究为理解真核生物中神秘基因体甲基化的功能作用提供了实质性的进展。
参考文献：
Williams CJ, Dai D, Tran KA, Monroe JG, Williams BP. Dynamic DNA methylation turnover in gene bodies is associated with enhanced gene expression plasticity in plants. Genome Biol. 2023 Oct 12;24(1):227.
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