WGBS等在揭示植物基因體動態(tài)DNA甲基化與基因表達可塑性相關的應用
在一些真核生物中，DNA甲基化發(fā)生在基因編碼區(qū)，稱為基因體甲基化(gene body methylation，GbM)。盡管DNA甲基化在轉座子和重復DNA沉默中的作用已得到很好的表征，但基因體甲基化與轉錄抑制無關，其生物學重要性尚不清楚。
2023年10月12日，美國加州大學伯克利分校植物與微生物生物學系Ben P. Williams團隊在《Genome Biology》雜志上發(fā)表題為“Dynamic DNA methylation turnover in gene bodies is associated with enhanced gene expression plasticity in plants”的研究論文，該研究以模式植物擬南芥為研究對象，通過WGBS、EM-seq、RNA-seq等多組學分析揭示了植物genebody中DNA甲基化動態(tài)變化與基因表達可塑性增強相關。
標題：Dynamic DNA methylation turnover in gene bodies is associated with enhanced gene expression plasticity in plants（植物genebody中DNA甲基化動態(tài)變化與基因表達可塑性增強相關）
時間：2023-10-12
期刊：Genome Biology
影響因子：12.3 / 1區(qū)
技術平臺：WGBS、EM-seq、RNA-seq、數據庫ChIP-seq分析等
研究摘要：
本研究揭示了一種在植物中新發(fā)現的基因體甲基化（GbM）類型，它在包括種系在內的所有細胞中均受動態(tài)甲基化修飾的組成性添加和去除。動態(tài)GbM基因甲基化通過植物特異性DNA去甲基化酶家族（統(tǒng)稱為DRDD酶）去甲基化通路去除，并通過未知的de novo甲基化來源添加（最可能是維持甲基轉移酶MET1）。分析結果揭示動態(tài)GbM狀態(tài)存在于跨越1億多年的不同譜系同源基因中，表明了進化保守性。與其他基因體甲基化基因相比，動態(tài)GbM與基因體內啟動子或調節(jié)染色質狀態(tài)的存在密切相關。動態(tài)GbM與發(fā)育和不同生理條件下基因表達可塑性增強有關，而穩(wěn)定甲基化的GbM基因表現出可塑性降低。動態(tài)GbM基因在drdd突變體中表現出降低的動態(tài)變化，表明DNA去甲基化和基因表達可塑性增強之間存在因果關系。
本研究提出了一種新的GbM調節(jié)基因表達可塑性模型（包括一種新型的GbM），其中基因表達塑性的增加與DNA甲基化writers和erasers活性以及調節(jié)染色質狀態(tài)富集相關。
材料方法：
材料：
擬南芥：WT野生型vs DRDD突變體植物
研究結果：
（1）DNA去甲基化靶向基因體子集
圖1：擬南芥基因組中兩種不同類型的基因體甲基化（GbM）。
（2）DNA去甲基化在所有組織和細胞類型中表現出細胞異質性
圖2：動態(tài)GbM基因在所有細胞和組織類型中都表現出甲基化異質性。
D. 穩(wěn)態(tài)和動態(tài)GbM基因體中所有組織和細胞類型中完全甲基化、異質性甲基化和未甲基化CGs比例
（3）需要De novo甲基化來維持動態(tài)GbM
圖2：動態(tài)GbM基因在所有細胞和組織類型中都表現出甲基化異質性。
D. 穩(wěn)態(tài)和動態(tài)GbM基因體中所有組織和細胞類型中完全甲基化、異質性甲基化和未甲基化CGs比例
（3）需要De novo甲基化來維持動態(tài)GbM
圖3：動態(tài)GbM狀態(tài)由MET1維持。
（4）動態(tài)GbM位點在遠緣譜系中保守
圖4：動態(tài)GbM狀態(tài)的進化保守。
（5）動態(tài)GbM與調節(jié)染色質狀態(tài)和增強基因表達可塑性有關
圖5：動態(tài)GbM與調節(jié)染色質標記之間的相關性。
（6）動態(tài)GbM與基因表達可塑性增加有關
圖6：動態(tài)GbM與基因表達可塑性增加有關。
A-B. 箱型圖顯示了所有基因、穩(wěn)態(tài)GbM和動態(tài)GbM基因在發(fā)育（A）和不同生理應激條件（B）下的變異系數和Fano因子表達水平。
C. 雙尾t檢驗顯示穩(wěn)態(tài)和動態(tài)GbM對基因表達可塑性的影響示意圖，以Waddington's landscape表示。穩(wěn)態(tài)GbM基因表現出低方差，表明其單一、穩(wěn)健的基因表達狀態(tài)。動態(tài)GbM基因表現出高方差，表明其可能呈現多種可能的基因表達狀態(tài)。
D. 動態(tài)和穩(wěn)定的GbM基因在WT和drdd突變體中的高表達和低表達十分位數中的比例。動態(tài)和穩(wěn)定基因的標準差用星號表示。F表示方差相等的F檢驗（動態(tài)GbM p=<0.0001，穩(wěn)態(tài)GbM p=0.1）。
E. 散點圖顯示與WT和drdd葉片之間的log2倍數變化相比，WT中葉片與其他組織之間的動態(tài)GbM基因表達的log2倍數變化（x軸）。基因表達可塑性喪失被預測為具有顯著的負相關。
F. 比較穩(wěn)態(tài)GbM基因對照組的等效倍數變化值散點圖。R2、p值和線性回歸模型的最佳擬合線
研究結論
本研究定義了植物表觀遺傳學的新表征。基因組中的子集基因體是所有細胞中DNA甲基化writers和erasers標靶，從而產生動態(tài)的DNA甲基化變化。這種動態(tài)的DNA甲基化狀態(tài)與“啟動子樣”染色質狀態(tài)以及增強的基因表達可塑性相關。此外，研究揭示了典型的基因體甲基化（在所有細胞中都呈穩(wěn)態(tài)）和低可塑性的通道化表達狀態(tài)之間的明確聯系。總的來說本研究為理解真核生物中神秘基因體甲基化的功能作用提供了實質性的進展。
參考文獻：
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，美國加州大學伯克利分校植物與微生物生物學系Ben P. Williams團隊在《Genome Biology》雜志上發(fā)表題為“Dynamic DNA methylation turnover in gene bodies is associated with enhanced gene expression plasticity in plants”的研究論文，該研究以模式植物擬南芥為研究對象，通過WGBS、EM-seq、RNA-seq等多組學分析揭示了植物genebody中DNA甲基化動態(tài)變化與基因表達可塑性增強相關。
標題：Dynamic DNA methylation turnover in gene bodies is associated with enhanced gene expression plasticity in plants（植物genebody中DNA甲基化動態(tài)變化與基因表達可塑性增強相關）
時間：2023-10-12
期刊：Genome Biology
影響因子：12.3 / 1區(qū)
技術平臺：WGBS、EM-seq、RNA-seq、數據庫ChIP-seq分析等
研究摘要：
本研究揭示了一種在植物中新發(fā)現的基因體甲基化（GbM）類型，它在包括種系在內的所有細胞中均受動態(tài)甲基化修飾的組成性添加和去除。動態(tài)GbM基因甲基化通過植物特異性DNA去甲基化酶家族（統(tǒng)稱為DRDD酶）去甲基化通路去除，并通過未知的de novo甲基化來源添加（最可能是維持甲基轉移酶MET1）。分析結果揭示動態(tài)GbM狀態(tài)存在于跨越1億多年的不同譜系同源基因中，表明了進化保守性。與其他基因體甲基化基因相比，動態(tài)GbM與基因體內啟動子或調節(jié)染色質狀態(tài)的存在密切相關。動態(tài)GbM與發(fā)育和不同生理條件下基因表達可塑性增強有關，而穩(wěn)定甲基化的GbM基因表現出可塑性降低。動態(tài)GbM基因在drdd突變體中表現出降低的動態(tài)變化，表明DNA去甲基化和基因表達可塑性增強之間存在因果關系。
本研究提出了一種新的GbM調節(jié)基因表達可塑性模型（包括一種新型的GbM），其中基因表達塑性的增加與DNA甲基化writers和erasers活性以及調節(jié)染色質狀態(tài)富集相關。
材料方法：
材料：
擬南芥：WT野生型vs DRDD突變體植物
研究結果：
（1）DNA去甲基化靶向基因體子集
圖1：擬南芥基因組中兩種不同類型的基因體甲基化（GbM）。
- 基因組瀏覽器圖顯示WT和drdd突變體中穩(wěn)態(tài)GbM基因和動態(tài)GbM基因的代表性示例。紅色條形圖表示甲基化胞嘧啶，條形圖高度表示胞嘧啶甲基化細胞百分比（比例=0–100%）。
- 穩(wěn)態(tài)和動態(tài)GbM基因的數量以及兩組之間的重疊維恩圖。
- 穩(wěn)態(tài)或動態(tài)GbM的整體基因（所有細胞的所有CG）中CG甲基化的總體百分比箱形圖。線=中位數；框=四分位數范圍；whiskers=第5個百分位和第95個百分位；*p=<0.0001（雙尾t檢驗）。
- 擬南芥基因組中所有CG的甲基化異質性水平分布小提琴圖，顯示為CG甲基化的細胞百分比。
- 在WT和drdd突變體中，穩(wěn)態(tài)和動態(tài)GbM基因體內完全甲基化、異質性甲基化和未甲基化CG比例
（2）DNA去甲基化在所有組織和細胞類型中表現出細胞異質性
圖2：動態(tài)GbM基因在所有細胞和組織類型中都表現出甲基化異質性。
- 代表性的基因組瀏覽器快照顯示在各種細胞和組織類型的動態(tài)GbM位點的異質甲基化CGs（比例=0–100%）。
D. 穩(wěn)態(tài)和動態(tài)GbM基因體中所有組織和細胞類型中完全甲基化、異質性甲基化和未甲基化CGs比例
（3）需要De novo甲基化來維持動態(tài)GbM
圖2：動態(tài)GbM基因在所有細胞和組織類型中都表現出甲基化異質性。
- 代表性的基因組瀏覽器快照顯示在各種細胞和組織類型的動態(tài)GbM位點的異質甲基化CGs（比例=0–100%）。
D. 穩(wěn)態(tài)和動態(tài)GbM基因體中所有組織和細胞類型中完全甲基化、異質性甲基化和未甲基化CGs比例
（3）需要De novo甲基化來維持動態(tài)GbM
圖3：動態(tài)GbM狀態(tài)由MET1維持。
- met1、ddcc和drdd突變體中動態(tài)GbM位點的代表性基因組瀏覽器快照。比例尺=200 bp。
- 箱形圖顯示WT、drdd突變體和多個de novo甲基化突變體中動態(tài)GbM基因內CGs細胞異質性。
- 顯示純合（homozygous）（−/−) 和雜合（heterozygous ）(+/−) met1突變體以及自身met1雜合子的多個WT分段子代。在B和C中，水平線=中值；框=四分位范圍；須（whiskers）=第95個百分位。水平虛線表示用于鑒定非均勻甲基化CGs的臨界值（所有細胞中甲基化率為10-85%）
（4）動態(tài)GbM位點在遠緣譜系中保守
圖4：動態(tài)GbM狀態(tài)的進化保守。
- 六個不同物種的具有代表性的動態(tài)GbM基因同源物。每個紅條代表單CG，條高是細胞間甲基化異質性百分比。虛線代表calling異質性甲基化胞嘧啶（10-85%的細胞）臨界值。最右邊panel：物種和擬南芥之間的估計分化時間，來自TimeTree。點表示中值發(fā)散時間估計，垂直虛線表示95%置信區(qū)間。
- 小提琴圖顯示了動態(tài)GbM基因的所有同源物和隨機選擇的十個相同大小的基因組中異質甲基化CGs的數量（左圖）和比例（右圖）。實線表示中位數，虛線表示四分位范圍；*p=<0.05，***p=<0.0005（雙尾t檢驗）
（5）動態(tài)GbM與調節(jié)染色質狀態(tài)和增強基因表達可塑性有關
圖5：動態(tài)GbM與調節(jié)染色質標記之間的相關性。
- 箱形圖顯示了與動態(tài)GbM結構域（藍色）、穩(wěn)態(tài)GbM結構區(qū)（綠色）或總外顯子（灰色）重疊的外顯子內14個組蛋白修飾的ChIP-seq數據的歸一化reads深度。
- 穩(wěn)態(tài)和動態(tài)GbM基因體與鑒定的四種染色質狀態(tài)之間的重疊百分比。
- 在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)GbM基因體之間重疊的總堿基對，以及在遠端啟動子區(qū)富集的染色質狀態(tài)。
- 顯示穩(wěn)態(tài)和動態(tài)GbM基因的基因體長度分布箱形圖。
- 箱形圖顯示基于基因體長分離到bins中穩(wěn)態(tài)和動態(tài)GbM基因的H3K4me2-ChIP-seq數據的歸一化reads深度。C、D、E、*p=<0.0001（雙尾參數t檢驗）。
- 穩(wěn)態(tài)和動態(tài)GbM基因的H3K4me1和H3K4me2 ChIP-seq原始數據的基因組瀏覽器快照。軌跡代表四項獨立研究的WT數據。
- 箱型圖顯示WT和兩種H3K4me2修飾atx1/atx2/atx4/atx5和sdg2降低的突變背景中動態(tài)GbM基因甲基化結構域內CGs的細胞異質性； *p=<0.0001（非參數雙尾t檢驗）
（6）動態(tài)GbM與基因表達可塑性增加有關
圖6：動態(tài)GbM與基因表達可塑性增加有關。A-B. 箱型圖顯示了所有基因、穩(wěn)態(tài)GbM和動態(tài)GbM基因在發(fā)育（A）和不同生理應激條件（B）下的變異系數和Fano因子表達水平。
C. 雙尾t檢驗顯示穩(wěn)態(tài)和動態(tài)GbM對基因表達可塑性的影響示意圖，以Waddington's landscape表示。穩(wěn)態(tài)GbM基因表現出低方差，表明其單一、穩(wěn)健的基因表達狀態(tài)。動態(tài)GbM基因表現出高方差，表明其可能呈現多種可能的基因表達狀態(tài)。
D. 動態(tài)和穩(wěn)定的GbM基因在WT和drdd突變體中的高表達和低表達十分位數中的比例。動態(tài)和穩(wěn)定基因的標準差用星號表示。F表示方差相等的F檢驗（動態(tài)GbM p=<0.0001，穩(wěn)態(tài)GbM p=0.1）。
E. 散點圖顯示與WT和drdd葉片之間的log2倍數變化相比，WT中葉片與其他組織之間的動態(tài)GbM基因表達的log2倍數變化（x軸）。基因表達可塑性喪失被預測為具有顯著的負相關。
F. 比較穩(wěn)態(tài)GbM基因對照組的等效倍數變化值散點圖。R2、p值和線性回歸模型的最佳擬合線
研究結論
本研究定義了植物表觀遺傳學的新表征。基因組中的子集基因體是所有細胞中DNA甲基化writers和erasers標靶，從而產生動態(tài)的DNA甲基化變化。這種動態(tài)的DNA甲基化狀態(tài)與“啟動子樣”染色質狀態(tài)以及增強的基因表達可塑性相關。此外，研究揭示了典型的基因體甲基化（在所有細胞中都呈穩(wěn)態(tài)）和低可塑性的通道化表達狀態(tài)之間的明確聯系。總的來說本研究為理解真核生物中神秘基因體甲基化的功能作用提供了實質性的進展。
參考文獻：
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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