[文献分享]甲基化比较分析鉴定人脑进化的表观遗传调控基因位点

表观遗传修饰怎么在不同物种间发生改变的?这些遗传修饰是怎么影响进化的?2016年8月,乔治亚理工学院在Molecular Biology and Evolution杂志发表一篇题为Comparative Methylome Analyses Identify Epigenetic Regulatory Loci of Human Brain Evolution的文章,文中利用人、黑猩猩和恒河猴的脑样本做全基因组甲基化比较分析,阐明在人脑的进化中DNA甲基化的变化。

结果分析

鉴定人脑中全基因组差异性甲基化区域

首先分析人和黑猩猩的脑的甲基化数据,鉴定差异性甲基化区域(DMRs),初步筛选了278个DMRs区域。之后用两个恒河猴的甲基化数据来评估人和黑猩猩差异的两极分化。利用这种筛选方法,我们鉴定了85个人类特有的和102黑猩猩特有的DMRs。

DMRs基因组注释

差异性DMRs区域在人和黑猩猩之间大约是584bp(67-2015bp),几乎一半(46%)的DMRs定位在已知的启动子上,超过一半(54%)的DMRs是定位在已知基因的启动子的外面。通过GO富集分析,以及DMRs和DMRs的相邻区域的GWAS分析,发现DMRs或者紧邻DMRs的基因显著富集到一些与发育过程相关的通路中,包含了神经系统发育,前脑发育,胚胎形成。

DMRs中调节物种特有的外基因标记

我们分析了人类特有来自前额皮质层神经细胞的组蛋白-H3K4me3变化的数据。在H3K4me3富集或者消耗的区域DMRs是显著增多的。这些发现说明在人脑进化中(H3K4me3和DNA甲基化)会发生协同的表观遗传改变。

DMRs簇与染色质环的相互作用

相互影响的DMRs主要是相同的或者临近的DMRs,但是一个相互作用的环上有15个连续的DMRs在2号染色体上。我们发现几乎一半的DMRs涉及到了227个与染色质的相互作用,278个DMRs有247个至少与一个其他非-DMR区域有显著的相互作用。因此,DMRs优先定位在参与染色质环的区域,这样可以潜在的影响转录调控。

DMRs用强化的TF结合特性标记启动子/增强子

发现人类特有的去甲基化DMRs明显被活性调控染色质标记,主要是启动子和增强子。相反,人类超甲基化区域有大量的DMRs通过不同组织形态被认为是静止的染色质。转录因子在DMRs的结合活性以及他们的启动子和类似增强子的表观遗传特征表明DMRs在人脑的调控节点中起着积极作用。

DMRs与基因表达差异相关联

在不同的方法获得的(RNA-seq,SAGE,芯片)人,黑猩猩,恒河猴的前额皮质层的表达数据中,6725个基因中只有66个表现出了一致性。然而在其中一个数据中我们发现了在61个人特有的DMRs中有13个DMRs的甲基化和表达分析是和人特有的表达方式有关联的,包含涉及到神经学过程的重要基因,如CSPG5,SPG7,COBL等。结果表明人特有的DMRs是和邻近基因的表达变化有关系的。

DMRs中TFBS结构发生人特有的突变特征

我们在51个TFBS结构中挑选出了41个人类的单核苷酸替换。其中有部分TFs结合在FOXP2区域,这个基因对说话和语言表达很重要,这里调控着人脑中的转录调控网络。在DMRs中突变产生的功能转录结合位点和DMRs外面的结合位点相比,发生的概率平均值很低。这说明这样的突变在功能约束力很强的区域不经常发生。