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文獻(xiàn)解讀：CHH甲基化丟失可觸發(fā)玉米表觀等位基因的可遺傳變化

瀏覽次數(shù)：547　發(fā)布日期：2024-2-27　 來源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)
研究人員已經(jīng)在多種植物物種中觀察到在雜交過程中跨染色體間互作而導(dǎo)致DNA甲基化變化。然而，這些互作的原因或結(jié)果知之甚少。

2023年12月18日，佛羅里達(dá)大學(xué)微生物學(xué)和細(xì)胞科學(xué)系meixia Zhao等人在《Plant Physiology》雜志發(fā)表題為“Heritable changes of epialleles near genes in maize can be triggered in the absence of CHH methylation”的研究論文，通過WGBS和對應(yīng)的RNA-seq等分析揭示了雜交植物玉米（Zea mays）中DNA甲基化模式的整體變化，且這些變化與小RNA數(shù)量變化無關(guān)。



標(biāo)題：Heritable changes of epialleles near genes in maize can be triggered in the absence of CHH methylation（CHH甲基化丟失可觸發(fā)玉米表觀等位基因的可遺傳變化）
時(shí)間：2023-12-18
期刊：Plant Physiology
影響因子：7.4 / 1區(qū)
技術(shù)平臺：WGBS、RNA-seq、sRNA-seq等
 
研究摘要：
本研究比較了玉米（Zea mays）中小RNA生物發(fā)生基因Mop1（paramutation介導(dǎo)因子1）突變體的雜交種一代（F1代）的DNA甲基化組，以及與其親本、野生型同胞和玉米回交后代的DNA甲基化組。研究數(shù)據(jù)表明，雜交介導(dǎo)了跨染色體甲基化（trans-chromosomal methylation，TCM）和跨染色體去甲基化（trans-chromosomal demethylation，TCdM）的整體變化，其中大部分是CHH甲基化變化。在這些可獲得小RNA的TCM差異甲基化區(qū)域（DMR）中，超過60%的區(qū)域沒有觀察到小RNA數(shù)量的顯著變化。在mop1突變體中，CHH TCM DMRs的甲基化大部分丟失，盡管這種突變體的作用依賴于其DMRs位點(diǎn)。且TCM DMR中CHH的增加與部分高表達(dá)基因表達(dá)增強(qiáng)和少量低表達(dá)基因表達(dá)抑制相關(guān)�；亟恢参镏屑谆綑z測結(jié)果表明，TCM和TCdM都可以在下一代中維持，但TCdM比TCM更穩(wěn)定。令人驚訝的是，盡管F1植物中大多數(shù)TCM DMR中CHH甲基化增加需要Mop1，但這些DMR新表觀遺傳狀態(tài)啟動(dòng)不需要該基因的功能拷貝，表明這些變化的啟動(dòng)與RNA介導(dǎo)的DNA甲基化無關(guān)。

簡而言之，這項(xiàng)研究揭示了雜交植物中DNA甲基化模式的整體變化，并且這些變化與小RNA的數(shù)量變化無關(guān)。此外，Mop1基因在維持某些甲基化模式中起著重要作用，但新表觀遺傳狀態(tài)的建立并不依賴于這個(gè)基因，意味著DNA甲基化變化可能還有其他未知的調(diào)控機(jī)制。

 材料方法：
在Mo17背景下的mop1雜合子玉米（Z. mays）植物與B73背景下的mop1雜合子植物（Mo17;mop1-1/+× B73;mop1-1/+）雜交以產(chǎn)生F1雜交mop1突變體（Mo17/B73;mop1/mop1）及其雜交野生型同胞（Mo17/B73;+/+；圖1A）。Mop1突變至少已經(jīng)在B73和Mo17下傳遞了7代。收集F1植株和兩個(gè)親本系（B73和Mo17）植株5~7cm的未成熟玉米穗用于后續(xù)的全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS）、RNA測序（RNA-seq）和小RNA測序（sRNA-seq），所有樣本均設(shè)置兩個(gè)生物學(xué)重復(fù)。
 
研究結(jié)果：
（1）雜交植物中CHH甲基化水平在全基因組范圍內(nèi)增加
 
圖1：雜交植物中CHH甲基化水平在全基因組范圍內(nèi)增加。
 
  1. 構(gòu)建野生型F1（WTF1）、mop1突變體F1（mop1F1）和BC1的遺傳策略。
  2. CG、CHG和CHH甲基化在5號染色體上的分布。甲基化水平在1 Mb windows中檢測，每個(gè)窗口以500 kb移位。陰影框代表著絲粒周圍區(qū)域。MPV表示midparent值。合成的F1雜交甲基化組是通過B73和Mo17親本相等數(shù)量的WGBS reads作為對照而混合生成。
  3. 基因（gene）中和側(cè)翼區(qū)域的甲基化模式。
  4. 轉(zhuǎn)座元件（TE）中和側(cè)翼區(qū)域的甲基化模式。
DNA甲基化水平在基因/TEs ±3 kb區(qū)域內(nèi)的50 bp窗口中計(jì)算。每個(gè)基因/TE序列被分成40個(gè)等大小的Bin來檢測基因/TE body甲基化。由于基因/TEs長度不同，Bin大小在不同的基因/TEs之間有所不同。根據(jù)TEs側(cè)翼基因的不同，TEs甲基化被定向?yàn)榻撕瓦h(yuǎn)端。每個(gè)樣本的甲基化水平是計(jì)算為每個(gè)序列上下文中甲基化C的比例除以總C的比例（CG、CHG和CHH，其中H = A、T或C），并對每個(gè)窗口進(jìn)行平均。通過結(jié)合每個(gè)基因型的2個(gè)生物學(xué)重復(fù)來確定平均甲基化水平。
 
（2）在F1雜交的TCM DMR中，高親本和低親本（甲基化水平較高和較低的親本）等位基因的CHH甲基化水平均升高
圖2：親本CHH DMR主要位于基因的±2kb側(cè)翼區(qū)域。
 
  1. 親本B73高DMR（B73中較高甲基化）和Mo17高DMR（Mo17中較高甲基化）的定義。紅色（上）、藍(lán)色（中）和綠色（下）點(diǎn)分別代表CG、CHG和CHH甲基化。
  2. B73具有更多的CG和CHG高DMR，而Mo17具有更多的高CHH DMR。
  3. B73在CG和CHG DMR處具有較高的甲基化水平，而Mo17在CHH DMR處具有較高的甲基化水平。箱形圖底部和頂部邊界是第一和第三四分位數(shù)，箱體內(nèi)粗線是中位數(shù)，稱為第二四分位數(shù)。線條兩端代表數(shù)據(jù)的最小值和最大值。
  4. CG和CHG DMR之間的重疊比其與CHH DMR之間的重疊更多。
  5. CG、CHG和CHH親本DMR分布；在基因上下游 ±2kb區(qū)域內(nèi)與TEs重疊DMR表明DMR與基因側(cè)翼區(qū)域內(nèi)的TE重疊。
  6. 在E中，基因上下游 ±2kb區(qū)域內(nèi)與TE重疊的TE DMR類型。DMR，差異甲基化區(qū)域。
 

圖3：在F1雜交的TCM DMR中，高親本和低親本等位基因的CHH甲基化水平均增加。
 
  1. 鑒定WTF1和親本之間的TCM、TCdM和未改變（NC）DMR。
  2. 親本和WTF1中TCM DMR的CG、CHG和CHH甲基化的比較。
  3. 親本和WTF1中TCdM DMR的CG、CHG和CHH甲基化的比較分析。
對于B）和C），箱形圖的底部和頂部邊界是第一和第三四分位數(shù)，單個(gè)box內(nèi)的粗線是中位數(shù)，稱為第二四分位數(shù)。Box線兩端代表數(shù)據(jù)的最小值和最大值。HP，高親本（甲基化水平較高的親本）；HA，F(xiàn)1中的高親本等位基因；LP，低親本（甲基化水平較低的親本）；LA，F(xiàn)1中的低親本等位基因。平均值是指WTF1和mop1F1中兩個(gè)親本之間或兩個(gè)等位基因之間的平均值。DMR，差異甲基化區(qū)域；TCM，跨染色體甲基化；TCdM，跨染色體去甲基化。

 （3）mop1突變體中CHH TCM DMR的甲基化顯著降低
圖4：mop1突變主要去除了CHH TCM DMR的甲基化。
 
  1. mop1突變影響的CG、CHG和CHH TCM DMR的數(shù)量。
  2. 比較mop1影響CG、CHG和CHH TCM DMR的甲基化水平。
  3. mop1突變影響的CG、CHG和CHH TCdM DMR的數(shù)量。
  4. 在mop1影響的CG、CHG和CHH TCM DMR中檢測其他2種胞嘧啶背景下的甲基化變化。上圖顯示了99個(gè)受mop1影響的CG TCM DMR的CHG和CHH序列背景下的甲基化變化。中間面板顯示了144個(gè)受mop1影響的CHG TCM DMR的CG和CHH序列背景下的甲基化變化。下圖顯示了1031個(gè)受mop1影響的CHH TCM DMR的CG和CHG序列背景下的甲基化變化。

（4）1個(gè)等位基因小RNA足以觸發(fā)F1雜交植物中大多數(shù)CHH TCM DMR中其他等位基因甲基化

圖5：從一個(gè)親本產(chǎn)生的小RNA足以觸發(fā)雜交后代中其他等位基因的新甲基化。
 
  1. F1代CHH TCM中小RNA生物發(fā)生的兩個(gè)假設(shè)模型。
  2. 親本、WTF1和mop1F1中小RNA的表達(dá)值。TPM，唯一比對reads/M的轉(zhuǎn)錄本。根據(jù)先前研究，將小RNA值調(diào)整為所有成熟microRNA的總豐度。
  3. mop1上24-nt siRNA的豐度影響CHH TCM DMR。HP，高親本（甲基化水平較高的親本）；LP，低親本（甲基化水平較低的親本）；MPV，中親值。
  4. 在受mop1影響的CHH TCM DMR中，高親本與低親本以及高親本等位基因與低親本等位基因的24 nt siRNA的比率。
  5. TCM和TCM之間的SNP數(shù)量。
晶須之外的單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是潛在的異常值，表明值與數(shù)據(jù)的整體模式顯著偏離。**P＜0.01和*P＜0.05，學(xué)生t檢驗(yàn)。ns，不顯著；DMR，差異甲基化區(qū)域；TCM，跨染色體甲基化；TCdM，跨染色體去甲基化。

（5）側(cè)翼基因序列的CHH甲基化可能與鄰近基因表達(dá)抑制或增強(qiáng)有關(guān)
圖6：CHH甲基化與鄰近基因的抑制和增強(qiáng)表達(dá)有關(guān)。
 
  1. CHH甲基化對基因表達(dá)影響的兩種可能情況。僅顯示了Mo17 CHH TCM DMR的例子。紫色（水平）實(shí)心和虛線箭頭表示該基因在親本或等位基因中的表達(dá)增強(qiáng)或抑制。橙色（向下）和藍(lán)色（向上）箭頭表示B73與Mo17的比率降低和增加。
  2. 根據(jù)A）中的模型鑒定出的基因數(shù)量。親本和WTF1之間B73與Mo17表達(dá)值的比率用于區(qū)分。
  3. 與鄰近基因表達(dá)抑制相關(guān)的16個(gè)CHH-TCM DMR和與鄰近基因表達(dá)增強(qiáng)相關(guān)的31個(gè)CHH-TCM DMR的組蛋白修飾。
  4. 16個(gè)抑制基因和31個(gè)增強(qiáng)基因的基因特性。去除內(nèi)含子以檢測基因體甲基化。
  5. 與鄰近基因表達(dá)增強(qiáng)有關(guān)的31個(gè)CHH TCM DMR處mop1突變體的甲基化變化。**P＜0.01，學(xué)生配對t檢驗(yàn)。
  6. mop1突變體中16個(gè)抑制基因和31個(gè)增強(qiáng)基因的基因表達(dá)變化。

（6）啟動(dòng)CHH TCM位點(diǎn)的表觀遺傳狀態(tài)變化不依賴于MOP1

圖7：F1植物中CG和CHG 跨染色體甲基化（TCM）DMR的新觸發(fā)甲基化在下一代得以維持。
 
  1. B73 CG和CHG TCM DMR維持的假設(shè)模型。星號（M*）表示新轉(zhuǎn)換的（甲基化）等位基因。M、 Mo17；B、 B73。每個(gè)等位基因附近的藍(lán)色垂直條表示siRNA，橙色框表示C到F中數(shù)據(jù)支持的模型。
  2. Mo17 CG和CHG TCM DMR維持的假設(shè)模型。星號（B*）表示新轉(zhuǎn)換的（甲基化）等位基因。M、 Mo17；B、 B73。
  3. 純合子B73 CG和CHG TCM DMR的甲基化變化。
  4. 雜合子B73 CG和CHG TCM DMR的甲基化變化。
  5. 純合子Mo17 CG和CHG TCM DMR的甲基化變化。
  6. 雜合子Mo17 CG和CHG TCM DMR的甲基化變化。
C-F箱形圖的底部和頂部邊界是第一和第三四分位數(shù)，單個(gè)箱形圖的粗體線是中位數(shù)，稱為第二四分位數(shù)。晶須的末端（線）代表數(shù)據(jù)的最小值和最大值。DMR，差異甲基化區(qū)域； TCM，跨染色體甲基化；Homozygous，純合子；Heterozygous，雜合子；WTBC1，Mo17/B73；+/+ × B73；mop1衍生的BC1，Mo17/B73；mop1/mop1 × B73。
 
圖8：玉米中跨染色體CHH甲基化的表觀遺傳狀態(tài)變化啟動(dòng)不依賴于MOP1。
 
  1. B73 CHH TCM DMR維持的假設(shè)模型。星號（M*）表示新轉(zhuǎn)換的（甲基化）等位基因。M、 Mo17；B、 B73。每個(gè)等位基因附近的藍(lán)色垂直條代表siRNA。
  2. Mo17 CHH TCM DMR維持的假設(shè)模型。星號（B*）表示新轉(zhuǎn)換的（甲基化）等位基因。M、 Mo17；B、 B73。橙色（從左到右，編號為1、2和4的box）和紅色（編號為3）box表示C到F中數(shù)據(jù)支持的模型。
  3. 純合子B73 CHH TCM DMR的甲基化變化。
  4. 雜合子B73 CHH TCM DMR的甲基化變化。
  5. 純合子Mo17 CHH TCM DMR的甲基化變化。
  6. 雜合子Mo17 CHH TCM DMR的甲基化變化。
  7. 2個(gè)Mo17 CHH TCM DMR的分布和甲基化水平示例。紅色虛線框突出顯示每個(gè)示例中的DMR。
參考文獻(xiàn)：
Liu B, Yang D, Wang D, Liang C, Wang J, Lisch D, Zhao M. Heritable changes of epialleles near genes in maize can be triggered in the absence of CHH methylation. Plant Physiol. 2023 Dec 18. pii: 7477629. doi: 10.1093/plphys/kiad668. PubMed PMID: 38109503.
來源：深圳市易基因科技有限公司
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