基于dRRBS技術的精液DNA甲基化年齡預測：全基因組標記鑒定和模型開發
DNA甲基化（DNAm）在特定CpG位點上的5-甲基胞嘧啶（5mC）比例隨年齡而顯著變化，因此DNA甲基化是法醫學中估計個體年齡的關鍵分子標記，然而，基于年齡相關CpG位點（AR-CpG）DNA甲基化標記的年齡預測模型在不同細胞類型和組織中的表現不一致，尤其是精子發生過程中獨特的甲基化模式，導致體細胞模型在精液中的表現不佳。同時目前的研究受到甲基化芯片覆蓋范圍有限的限制，因此，迫切需要鑒定和驗證精液特異性的AR-CpG標記。
近日，華中科技大學同濟醫學院法醫學系黃代新教授團隊利用雙酶切簡化基因組亞硫酸鹽測序（dRRBS）鑒定出新的精液特異性年齡相關CpG（AR-CpG）位點，并通過亞硫酸鹽擴增測序（BSAS）驗證這些標記，再結合先前報道的位點和鄰近CpG位點，以開發穩健的年齡估計模型。相關研究成果以“DNA methylation-based age estimation from semen: Genome-wide marker identification and model development”為題發表在《Forensic Science International: Genetics》期刊。
本研究對21名健康中國男性（分為三個年齡組）的精液樣本進行了全甲基化組關聯研究，每個樣本生成了超4M CpG位點（深度≥5×）。對721840個共有CpG位點的分析顯示，超95%的位點未被傳統甲基化芯片覆蓋。差異甲基化和相關性分析鑒定出139個AR-CpG位點，并采用基于多重PCR的BSAS兩階段驗證過程。第一階段，對dRRBS鑒定的129個精液樣本（22-64歲）中前47個AR-CpG位點、26個文獻報道的位點和242個鄰近CpG位點進行預測，驗證了31個dRRBS、26個文獻報道的和152個鄰近CpG位點與年齡相關。第二階段，在247個樣本（22-67歲）中檢驗了154個CpG位點，確認了71個AR-CpG位點（|rho| > 0.50）。其中，chr2:129071885（cg19998819）作為最強年齡相關標記（rho = 0.81）脫穎而出。利用第二個BSAS數據集，研究在重復嵌套交叉驗證（CV）框架內開發了基于多元線性回歸和隨機森林（RF）算法的年齡估計模型。RF模型在5-25個CpG特征子集上表現出更高的準確性。優化的9-CpG RF模型平均均方根誤差為4.73年（4.62-4.96，SD=0.10），平均絕對誤差為3.30年（3.23-3.43，SD=0.06）。本研究表明dRRBS在大規模AR-CpG發現中的實用性，并為法醫學應用提供了一個穩健的年齡估計模型和一個全面的精液特異性AR-CpG位點參考數據庫。
研究方法
1) 樣本收集：精液樣本來自兩組健康中國男性志愿者，一組用于標記鑒定，另一組用于標記驗證和模型開發。
2) AR-CpG位點的識別：使用dRRBS技術對發現隊列的精液樣本進行全基因組AR-CpG位點鑒定。
3) 候選AR-CpG位點的選擇：基于dRRBS鑒定的AR-CpG位點和文獻中報道的位點，選擇前50個AR-CpG位點進行進一步驗證。
4) 候選AR-CpG位點的驗證：通過BSAS進行兩階段驗證過程，定量檢測候選位點及其鄰近CpG位點的甲基化水平。
5) 統計分析和年齡估計建模：使用嵌套交叉驗證（CV）框架開發年齡估計模型，包括多重線性回歸（MLR）和隨機森林（RF）算法。
結果圖形
圖1：研究流程圖
圖2：dRRBS鑒定精液中的AR-CpG位點
圖3：BSAS驗證候選年齡相關CpG位點
易小結：研究亮點
Li Y, Liu X, Chen M, Yi S, He X, Xiao C, Huang D. DNA methylation-based age estimation from semen: Genome-wide marker identification and model development. Forensic Sci Int Genet. 2024 Dec 25;76:103215. pii: S1872-4973(24)00211-4. doi: 10.1016/j.fsigen.2024.103215. PubMed PMID: 39752798.
近日，華中科技大學同濟醫學院法醫學系黃代新教授團隊利用雙酶切簡化基因組亞硫酸鹽測序（dRRBS）鑒定出新的精液特異性年齡相關CpG（AR-CpG）位點，并通過亞硫酸鹽擴增測序（BSAS）驗證這些標記，再結合先前報道的位點和鄰近CpG位點，以開發穩健的年齡估計模型。相關研究成果以“DNA methylation-based age estimation from semen: Genome-wide marker identification and model development”為題發表在《Forensic Science International: Genetics》期刊。
本研究對21名健康中國男性（分為三個年齡組）的精液樣本進行了全甲基化組關聯研究，每個樣本生成了超4M CpG位點（深度≥5×）。對721840個共有CpG位點的分析顯示，超95%的位點未被傳統甲基化芯片覆蓋。差異甲基化和相關性分析鑒定出139個AR-CpG位點，并采用基于多重PCR的BSAS兩階段驗證過程。第一階段，對dRRBS鑒定的129個精液樣本（22-64歲）中前47個AR-CpG位點、26個文獻報道的位點和242個鄰近CpG位點進行預測，驗證了31個dRRBS、26個文獻報道的和152個鄰近CpG位點與年齡相關。第二階段，在247個樣本（22-67歲）中檢驗了154個CpG位點，確認了71個AR-CpG位點（|rho| > 0.50）。其中，chr2:129071885（cg19998819）作為最強年齡相關標記（rho = 0.81）脫穎而出。利用第二個BSAS數據集，研究在重復嵌套交叉驗證（CV）框架內開發了基于多元線性回歸和隨機森林（RF）算法的年齡估計模型。RF模型在5-25個CpG特征子集上表現出更高的準確性。優化的9-CpG RF模型平均均方根誤差為4.73年（4.62-4.96，SD=0.10），平均絕對誤差為3.30年（3.23-3.43，SD=0.06）。本研究表明dRRBS在大規模AR-CpG發現中的實用性，并為法醫學應用提供了一個穩健的年齡估計模型和一個全面的精液特異性AR-CpG位點參考數據庫。
研究方法
1) 樣本收集：精液樣本來自兩組健康中國男性志愿者，一組用于標記鑒定，另一組用于標記驗證和模型開發。
2) AR-CpG位點的識別：使用dRRBS技術對發現隊列的精液樣本進行全基因組AR-CpG位點鑒定。
3) 候選AR-CpG位點的選擇：基于dRRBS鑒定的AR-CpG位點和文獻中報道的位點，選擇前50個AR-CpG位點進行進一步驗證。
4) 候選AR-CpG位點的驗證：通過BSAS進行兩階段驗證過程，定量檢測候選位點及其鄰近CpG位點的甲基化水平。
5) 統計分析和年齡估計建模：使用嵌套交叉驗證（CV）框架開發年齡估計模型，包括多重線性回歸（MLR）和隨機森林（RF）算法。
結果圖形
圖1：研究流程圖
圖2：dRRBS鑒定精液中的AR-CpG位點
表1：dRRBS篩選出的候選年AR-CpG
圖3：BSAS驗證候選年齡相關CpG位點
圖4：利用重復嵌套交叉驗證（CV）方法進行年齡估計建模和性能評估。
易小結：研究亮點
- dRRBS技術的應用：dRRBS技術在大規模AR-CpG發現中的實用性，為法醫學應用提供了穩健的年齡估計模型和全面的精液特異性AR-CpG位點參考數據庫。
- 模型準確性：隨機森林模型在5至25個CpG表征子集上表現出優越的準確性，優化的9-CpG模型實現了平均均方根誤差4.73年和平均絕對誤差3.30年的高精度年齡估計。
- 新標記的發現：研究不僅驗證了先前報道的AR-CpG位點，還發現了新的與年齡強相關的位點，如chr1:19339432和chr13:93039685，為未來的法醫學年齡估計提供了新的標記。
Li Y, Liu X, Chen M, Yi S, He X, Xiao C, Huang D. DNA methylation-based age estimation from semen: Genome-wide marker identification and model development. Forensic Sci Int Genet. 2024 Dec 25;76:103215. pii: S1872-4973(24)00211-4. doi: 10.1016/j.fsigen.2024.103215. PubMed PMID: 39752798.
標簽：
DNA甲基化
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