全基因組DNA甲基化和轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析鑒定調(diào)控骨骼肌發(fā)育潛在基因

該研究旨在研究鴨骨骼肌DNA甲基化的調(diào)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(zhuǎn)錄組圖譜，通過(guò)DNA甲基化與基因表達(dá)的綜合關(guān)聯(lián)分析，篩選出與DNA甲基化相關(guān)的關(guān)鍵基因和信號(hào)通路，為探索DNA甲基化和鴨骨骼肌發(fā)育的潛在調(diào)控機(jī)制提供有價(jià)值的信息。

研究摘要：

DNA甲基化是骨骼肌發(fā)育過(guò)程中重要的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制。然而，在胚胎鴨骨骼肌發(fā)育過(guò)程中負(fù)責(zé)DNA甲基化的調(diào)控因子仍不清楚。本研究對(duì)胚胎第21天(E21)和第28天(E28)的骨骼肌進(jìn)行了全基因組重亞硫酸鹽測(cè)序(WGBS)和轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（RNA-seq）。結(jié)果表明DNA甲基化模式主要位于胞嘧啶-鳥(niǎo)嘌呤(CG)區(qū)域，內(nèi)含子、外顯子和啟動(dòng)子區(qū)域的甲基化水平較高。研究共鑒定出7902個(gè)差異甲基化區(qū)域(DMRs)，對(duì)應(yīng)3174個(gè)差異甲基化基因(DMG)。通過(guò)對(duì)WGBS和轉(zhuǎn)錄組學(xué)的綜合分析，鑒定出1072個(gè)與差異表達(dá)基因(DEGs)負(fù)相關(guān)的DMG基因。GO分析顯示磷酸化、激酶活性、磷酸轉(zhuǎn)移酶活性、醇基受體以及與細(xì)胞骨架蛋白的結(jié)合富集。KEGG分析顯示MAPK信號(hào)、Wnt信號(hào)、apelin信號(hào)、胰島素信號(hào)和FoxO信號(hào)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(dá)，低甲基化促進(jìn)Col22a1、Dnmt3b、Fn1、E2f1、Rprm、Wfikkn1表達(dá)。進(jìn)一步預(yù)測(cè)表明，Klhl38、Klf2、Erbin、Mylk2和Got1啟動(dòng)子中的CpG島可能在調(diào)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(diào)控提供了新的見(jiàn)解。

研究結(jié)果：

·             鴨骨骼肌中的DNA甲基化模式

·             實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

·             鴨胚胎骨骼肌發(fā)育過(guò)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(lán)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(biāo)代表不同的序列環(huán)境，包括CG、CHG和CHH, H = A、C或t；左坐標(biāo)代表甲基化水平，橫坐標(biāo)代表10 kb為一個(gè)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(biāo)代表不同的序列環(huán)境。左側(cè)縱坐標(biāo)表示甲基化水平，橫坐標(biāo)表示以10kb為一個(gè)bin的不同樣本。

·             不同基因組元件的甲基化水平分布。橫坐標(biāo)為基因組元素，縱坐標(biāo)為甲基化水平。對(duì)所有基因功能區(qū)的C位點(diǎn)水平進(jìn)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(biāo)顯示不同區(qū)域，縱坐標(biāo)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

·             DMRs的維恩圖。

·             CG背景下DMRs的長(zhǎng)度分布。DMR長(zhǎng)度在橫坐標(biāo)上表示；每個(gè)長(zhǎng)度處的密度在縱坐標(biāo)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(biāo)表示甲基化水平值。

·             CG背景下的DMR錨定區(qū)。橫坐標(biāo)表示每個(gè)區(qū)域DMR類型，縱坐標(biāo)表示每個(gè)區(qū)域高/低DMR數(shù)量。

（3）甲基化基因的功能富集

CG背景下富集基因GO分析條形圖。富集GO相關(guān)基因分類統(tǒng)計(jì)：y軸為富集GO項(xiàng)，x軸為DMR相關(guān)基因數(shù)量。生物過(guò)程和分子功能用不同的顏色來(lái)區(qū)分。

·             CG背景下富集的KEGG代謝通路散點(diǎn)圖。通路名稱表示在縱軸上，富集因子表示在橫軸上。每個(gè)通路中DMR相關(guān)基因的數(shù)量由點(diǎn)的大小表示，點(diǎn)的顏色對(duì)應(yīng)不同的q值。

（4）DNA甲基化與基因表達(dá)的關(guān)聯(lián)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(dá)基因，down為低表達(dá)基因。

（5）富集與DEG負(fù)相關(guān)DMG的關(guān)鍵通路

交叉基因富集的GO條形圖。富集GO相關(guān)基因分類：富集GO項(xiàng)表示在縱坐標(biāo)上，DMR相關(guān)基因的數(shù)量顯示在橫坐標(biāo)上。使用不同顏色來(lái)區(qū)分生物過(guò)程、細(xì)胞成分和分子功能。

·             交叉基因富集的KEGGs信號(hào)通路散點(diǎn)圖。通路名稱顯示在縱軸上，富集因子顯示在橫軸上。每個(gè)通路中DMR相關(guān)基因的數(shù)量由點(diǎn)大小表示，并且點(diǎn)的顏色對(duì)應(yīng)于不同q值。

（6）骨骼肌發(fā)育相關(guān)基因的鑒定

A-B. DEGs在PM中上調(diào)和(B)下調(diào)。

C-D. DEGs在LM中上調(diào)和(D)下調(diào)。

Β-actin作為內(nèi)部參照。數(shù)值表示為3次重復(fù)的平均值±SEM;* p < 0.05， ** p < 0.01。

（7）啟動(dòng)子CpG島預(yù)測(cè)

研究小結(jié)：

通過(guò)整合全基因組DNA甲基化和轉(zhuǎn)錄組分析，系統(tǒng)地鑒定了參與胚胎鴨骨骼肌發(fā)育的DMRs，共鑒定出13個(gè)可能與鴨骨骼肌發(fā)育相關(guān)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(dá)，低甲基化促進(jìn)Col22a1、Dnmt3b、Fn1、E2f1、Rprm和Wfikkn1表達(dá)。預(yù)測(cè)了Erbin、Klf2、Got1、Klhl38和Mylk2五個(gè)關(guān)鍵基因啟動(dòng)子區(qū)的CpG島。對(duì)啟動(dòng)子區(qū)DNA甲基化與基因表達(dá)之間的復(fù)雜關(guān)系有了新的見(jiàn)解。本文還假設(shè)DMRs促進(jìn)表達(dá)水平變化，從而影響了隨后的轉(zhuǎn)錄和翻譯。這些結(jié)果為進(jìn)一步研究調(diào)控鴨骨骼肌發(fā)育的表觀遺傳學(xué)機(jī)制提供了有價(jià)值的信息。