哺乳动物胎盘DNA甲基化变化和胎儿出生体重的综合分析
2024-08-06 来源:本站 点击次数:738
出生体重是一个复杂的多因素性状，与后期生活中的健康状况和疾病风险有关。胎盘对胎儿的正常生长至关重要，并负责促进母体和发育中胎儿之间的气体、营养和废物交换。胎盘DNA甲基化变化如何影响胎儿出生体重尚未完全阐明。研究证实，DNA甲基化调节滋养层侵袭和胎盘发育，但DNA甲基化如何在塑造胎盘形态结构和调控出生体重方面发挥作用仍很大程度上未知。
华南农业大学顾婷副教授团队先前的研究揭示了受精后21天、28天和35天猪胎胎盘的DNA甲基化谱。本研究首次整合了RNA测序（RNA-seq）和全基因组亚硫酸盐测序（WGBS），为同窝中不同出生体重仔猪胎盘提供了基因表达和DNA甲基化模式的全面分析。研究强调了DNA甲基化在塑造不同胎盘的转录程序中的关键作用，可能为DNA甲基化参与调控胎盘发育和仔猪出生体重提供新的见解。相关研究成果于2024年7月13日以“Comprehensive Analysis of Placental DNA Methylation Changes and Fetal Birth Weight in Pigs”（猪胎盘DNA甲基化变化与胎儿出生体重的综合分析）为题发表在《International Journal of Molecular Sciences》（IF 5.6）期刊上。
研究对三胎杜洛克雌猪的胎盘母体取高出生体重（highest birth weight，HBW）和低出生体重（lowest birth weight，LBW）仔猪胎盘样本进行WGBS和RNA-seq测序分析，揭示了同窝出生体重最重和最轻仔猪胎盘的整体DNA甲基化和基因表达变化图谱。转录组分析鉴定出1682个差异表达基因，揭示了不同胎盘中的关键转录特性。研究还鉴定出可能驱动胎盘DNA甲基化模式差异的关键转录因子，启动子中DNA甲基化水平降低与与血管生成、细胞外基质重塑和跨膜转运相关的基因转录激活相关。本研究结果揭示DNA甲基化在基因转录活性中的调控作用，从而导致胎盘形态结构和仔猪出生体重的差异。这些结果可能为阐明胎盘发育和胎儿生长的潜在调控机制提供新的线索。
研究方法
研究结果
（1）HBW和LBW胎盘形态学特征和基因表达变化
图1：高出生体重（HBW）和低出生体重（LBW）胎盘之间的形态学和基因表达变化
A. H-E染色观察HBW和LBW胎盘的形态变化。
B. 直方图显示每组胎盘的血管密度。
C. 散点图显示出生体重与胎盘重量之间的正相关（样本数n=13）。
D. 每份样本基因表达数据的主成分分析（PCA）结果。
E. 基于RNA-seq的DNMTs（DNA甲基转移酶）和dMTases（DNA去甲基化酶）表达水平热图。
F. LBW组与HBW组之间上调或下调差异表达基因（DEGs）重叠。
G. 差异表达基因的分层聚类热图。
H. 差异表达基因的Alluvial（沉积物）图。
（2）差异表达基因的功能富集分析
图2：差异表达基因的功能富集分析。
A. DEGs的GO富集分析。
B. DEGs的KEGG通路分析。
C. 参与各种过程的基因的GSEA图。
（3）HBW和LBW胎盘中DNA甲基化组特征
图3：HBW和LBW胎盘中DNA甲基化组特征。
A. CHG、CHH和CpG位点中甲基化胞嘧啶位点比例（其中H=A、C或T）。
B. 不同胎盘中具有不同甲基化水平的CpG位点总量比例。括号中的比率（甲基化CpG/所有CpG）从左到右分别是0.492708、0.525829、0.505327和0.502685，这些数值反映不同样本中CpG位点甲基化水平。
C. 每个样本CpG甲基化数据的主成分分析（PCA）结果。
D-E. HBW和LBW胎盘不同基因组特征（如启动子、基因体、CpG岛等）中CpG的平均甲基化水平。
（4）HBW和LBW胎盘中DNA甲基化谱动态变化
图4： HBW和LBW胎盘中DNA甲基化谱动态变化：
A. 不同基因组特征上的不同甲基化区域（DMRs）所占比例。
B. Circos图展示了所有染色体上甲基化分布的情况。从外圈到内圈依次是：基因密度、CpG岛、HBW胎盘平均甲基化水平、LBW胎盘平均甲基化水平、高甲基化DMR（hyper-methylated DMRs）、低甲基化DMRs（hypo-methylated DMRs）、HBW胎盘的平均甲基化水平、LBW胎盘的平均甲基化水平。
C. 对启动子区域DMRs进行转录因子（TF）富集分析。
D-E. 展示启动子区域高甲基化和低甲基化DMRs的GO分析结果。
（5）HBW和LBW胎盘中DNA甲基化与基因表达的相关性
图5：胎盘DNA甲基化组和转录组的综合分析
A. 富集图显示不同表达水平（高、中、低和不表达）Genebody区周围的DNA甲基化水平。
B. 四象限图显示在HBW和LBW胎盘中甲基化水平和表达水平均显著变化的基因。
C. 对启动子阴性基因（PNGs）进行GO和KEGG富集分析。蓝色：KEGG通路；红色：GO生物过程。
D. IGV可视化工具展示HBW和LBW胎盘中ITGB1和IL1R2基因的WGBS和RNA-seq轨迹。启动子DMRs用黄色表示。
E. 对HBW和LBW胎盘中ITGB1和IL1R2基因的启动子进行亚硫酸盐特异性PCR（MSP）分析。M：甲基化等位基因；U：未甲基化等位基因。
F. 在PTr2细胞中，5-Aza诱导的去甲基化后选定PNGs的mRNA表达变化。
易小结
本研究首次整合RNA-seq和WGBS技术，对同窝不同出生体重仔猪胎盘的基因表达和DNA甲基化模式进行全面分析。研究结果揭示了DNA甲基化通过调控基因表达来调节胎盘发育，可能最终导致仔猪出生体重差异。表明了DNA甲基化在胎盘发育和胎儿生长中的调控作用，为后续研究提供了新的视角和潜在的生物标记。这项研究为理解出生体重的调控机制提供了重要的生物学见解，可能有助于减少后期生活中的疾病风险，并改进动物生产。
参考文献：
Tan B, Xiao L, Wang Y, Zhou C, Huang H, Li Z, Hong L, Cai G, Wu Z, Gu T. Comprehensive Analysis of Placental DNA Methylation Changes and Fetal Birth Weight in Pigs. Int J Mol Sci. 2024 Jul 13;25(14) pii: ijms25147702. doi: 10.3390/ijms25147702. PubMed PMID: 39062945.
华南农业大学顾婷副教授团队先前的研究揭示了受精后21天、28天和35天猪胎胎盘的DNA甲基化谱。本研究首次整合了RNA测序（RNA-seq）和全基因组亚硫酸盐测序（WGBS），为同窝中不同出生体重仔猪胎盘提供了基因表达和DNA甲基化模式的全面分析。研究强调了DNA甲基化在塑造不同胎盘的转录程序中的关键作用，可能为DNA甲基化参与调控胎盘发育和仔猪出生体重提供新的见解。相关研究成果于2024年7月13日以“Comprehensive Analysis of Placental DNA Methylation Changes and Fetal Birth Weight in Pigs”（猪胎盘DNA甲基化变化与胎儿出生体重的综合分析）为题发表在《International Journal of Molecular Sciences》（IF 5.6）期刊上。
研究对三胎杜洛克雌猪的胎盘母体取高出生体重（highest birth weight，HBW）和低出生体重（lowest birth weight，LBW）仔猪胎盘样本进行WGBS和RNA-seq测序分析，揭示了同窝出生体重最重和最轻仔猪胎盘的整体DNA甲基化和基因表达变化图谱。转录组分析鉴定出1682个差异表达基因，揭示了不同胎盘中的关键转录特性。研究还鉴定出可能驱动胎盘DNA甲基化模式差异的关键转录因子，启动子中DNA甲基化水平降低与与血管生成、细胞外基质重塑和跨膜转运相关的基因转录激活相关。本研究结果揭示DNA甲基化在基因转录活性中的调控作用，从而导致胎盘形态结构和仔猪出生体重的差异。这些结果可能为阐明胎盘发育和胎儿生长的潜在调控机制提供新的线索。
研究方法
- WGBS和RNA-seq绘制同窝中最重和最轻出生体重仔猪胎盘的DNA甲基化和基因表达谱。
- 比较HBW或LBW胎盘的形态学特征和基因表达模式。
- GO富集分析、KEGG通路分析、基因集富集分析（GSEA）。
研究结果
（1）HBW和LBW胎盘形态学特征和基因表达变化
图1：高出生体重（HBW）和低出生体重（LBW）胎盘之间的形态学和基因表达变化
B. 直方图显示每组胎盘的血管密度。
C. 散点图显示出生体重与胎盘重量之间的正相关（样本数n=13）。
D. 每份样本基因表达数据的主成分分析（PCA）结果。
E. 基于RNA-seq的DNMTs（DNA甲基转移酶）和dMTases（DNA去甲基化酶）表达水平热图。
F. LBW组与HBW组之间上调或下调差异表达基因（DEGs）重叠。
G. 差异表达基因的分层聚类热图。
H. 差异表达基因的Alluvial（沉积物）图。
（2）差异表达基因的功能富集分析
A. DEGs的GO富集分析。
B. DEGs的KEGG通路分析。
C. 参与各种过程的基因的GSEA图。
（3）HBW和LBW胎盘中DNA甲基化组特征
A. CHG、CHH和CpG位点中甲基化胞嘧啶位点比例（其中H=A、C或T）。
B. 不同胎盘中具有不同甲基化水平的CpG位点总量比例。括号中的比率（甲基化CpG/所有CpG）从左到右分别是0.492708、0.525829、0.505327和0.502685，这些数值反映不同样本中CpG位点甲基化水平。
C. 每个样本CpG甲基化数据的主成分分析（PCA）结果。
D-E. HBW和LBW胎盘不同基因组特征（如启动子、基因体、CpG岛等）中CpG的平均甲基化水平。
（4）HBW和LBW胎盘中DNA甲基化谱动态变化
图4： HBW和LBW胎盘中DNA甲基化谱动态变化：
B. Circos图展示了所有染色体上甲基化分布的情况。从外圈到内圈依次是：基因密度、CpG岛、HBW胎盘平均甲基化水平、LBW胎盘平均甲基化水平、高甲基化DMR（hyper-methylated DMRs）、低甲基化DMRs（hypo-methylated DMRs）、HBW胎盘的平均甲基化水平、LBW胎盘的平均甲基化水平。
C. 对启动子区域DMRs进行转录因子（TF）富集分析。
D-E. 展示启动子区域高甲基化和低甲基化DMRs的GO分析结果。
（5）HBW和LBW胎盘中DNA甲基化与基因表达的相关性
A. 富集图显示不同表达水平（高、中、低和不表达）Genebody区周围的DNA甲基化水平。
B. 四象限图显示在HBW和LBW胎盘中甲基化水平和表达水平均显著变化的基因。
C. 对启动子阴性基因（PNGs）进行GO和KEGG富集分析。蓝色：KEGG通路；红色：GO生物过程。
D. IGV可视化工具展示HBW和LBW胎盘中ITGB1和IL1R2基因的WGBS和RNA-seq轨迹。启动子DMRs用黄色表示。
E. 对HBW和LBW胎盘中ITGB1和IL1R2基因的启动子进行亚硫酸盐特异性PCR（MSP）分析。M：甲基化等位基因；U：未甲基化等位基因。
F. 在PTr2细胞中，5-Aza诱导的去甲基化后选定PNGs的mRNA表达变化。
易小结
本研究首次整合RNA-seq和WGBS技术，对同窝不同出生体重仔猪胎盘的基因表达和DNA甲基化模式进行全面分析。研究结果揭示了DNA甲基化通过调控基因表达来调节胎盘发育，可能最终导致仔猪出生体重差异。表明了DNA甲基化在胎盘发育和胎儿生长中的调控作用，为后续研究提供了新的视角和潜在的生物标记。这项研究为理解出生体重的调控机制提供了重要的生物学见解，可能有助于减少后期生活中的疾病风险，并改进动物生产。
参考文献：
Tan B, Xiao L, Wang Y, Zhou C, Huang H, Li Z, Hong L, Cai G, Wu Z, Gu T. Comprehensive Analysis of Placental DNA Methylation Changes and Fetal Birth Weight in Pigs. Int J Mol Sci. 2024 Jul 13;25(14) pii: ijms25147702. doi: 10.3390/ijms25147702. PubMed PMID: 39062945.
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