哺乳動物胎盤DNA甲基化變化和胎兒出生體重的綜合分析
出生體重是一個復(fù)雜的多因素性狀，與后期生活中的健康狀況和疾病風(fēng)險有關(guān)。胎盤對胎兒的正常生長至關(guān)重要，并負(fù)責(zé)促進(jìn)母體和發(fā)育中胎兒之間的氣體、營養(yǎng)和廢物交換。胎盤DNA甲基化變化如何影響胎兒出生體重尚未完全闡明。研究證實，DNA甲基化調(diào)節(jié)滋養(yǎng)層侵襲和胎盤發(fā)育，但DNA甲基化如何在塑造胎盤形態(tài)結(jié)構(gòu)和調(diào)控出生體重方面發(fā)揮作用仍很大程度上未知。
華南農(nóng)業(yè)大學(xué)顧婷副教授團(tuán)隊先前的研究揭示了受精后21天、28天和35天豬胎胎盤的DNA甲基化譜。本研究首次整合了RNA測序（RNA-seq）和全基因組亞硫酸鹽測序（WGBS），為同窩中不同出生體重仔豬胎盤提供了基因表達(dá)和DNA甲基化模式的全面分析。研究強(qiáng)調(diào)了DNA甲基化在塑造不同胎盤的轉(zhuǎn)錄程序中的關(guān)鍵作用，可能為DNA甲基化參與調(diào)控胎盤發(fā)育和仔豬出生體重提供新的見解。相關(guān)研究成果于2024年7月13日以“Comprehensive Analysis of Placental DNA Methylation Changes and Fetal Birth Weight in Pigs”（豬胎盤DNA甲基化變化與胎兒出生體重的綜合分析）為題發(fā)表在《International Journal of Molecular Sciences》（IF 5.6）期刊上。
研究對三胎杜洛克雌豬的胎盤母體取高出生體重（highest birth weight，HBW）和低出生體重（lowest birth weight，LBW）仔豬胎盤樣本進(jìn)行WGBS和RNA-seq測序分析，揭示了同窩出生體重最重和最輕仔豬胎盤的整體DNA甲基化和基因表達(dá)變化圖譜。轉(zhuǎn)錄組分析鑒定出1682個差異表達(dá)基因，揭示了不同胎盤中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄特性。研究還鑒定出可能驅(qū)動胎盤DNA甲基化模式差異的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，啟動子中DNA甲基化水平降低與與血管生成、細(xì)胞外基質(zhì)重塑和跨膜轉(zhuǎn)運相關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)。本研究結(jié)果揭示DNA甲基化在基因轉(zhuǎn)錄活性中的調(diào)控作用，從而導(dǎo)致胎盤形態(tài)結(jié)構(gòu)和仔豬出生體重的差異。這些結(jié)果可能為闡明胎盤發(fā)育和胎兒生長的潛在調(diào)控機(jī)制提供新的線索。
研究方法
研究結(jié)果
（1）HBW和LBW胎盤形態(tài)學(xué)特征和基因表達(dá)變化
圖1：高出生體重（HBW）和低出生體重（LBW）胎盤之間的形態(tài)學(xué)和基因表達(dá)變化
A. H-E染色觀察HBW和LBW胎盤的形態(tài)變化。
B. 直方圖顯示每組胎盤的血管密度。
C. 散點圖顯示出生體重與胎盤重量之間的正相關(guān)（樣本數(shù)n=13）。
D. 每份樣本基因表達(dá)數(shù)據(jù)的主成分分析（PCA）結(jié)果。
E. 基于RNA-seq的DNMTs（DNA甲基轉(zhuǎn)移酶）和dMTases（DNA去甲基化酶）表達(dá)水平熱圖。
F. LBW組與HBW組之間上調(diào)或下調(diào)差異表達(dá)基因（DEGs）重疊。
G. 差異表達(dá)基因的分層聚類熱圖。
H. 差異表達(dá)基因的Alluvial（沉積物）圖。
（2）差異表達(dá)基因的功能富集分析
圖2：差異表達(dá)基因的功能富集分析。
A. DEGs的GO富集分析。
B. DEGs的KEGG通路分析。
C. 參與各種過程的基因的GSEA圖。
（3）HBW和LBW胎盤中DNA甲基化組特征
圖3：HBW和LBW胎盤中DNA甲基化組特征。
A. CHG、CHH和CpG位點中甲基化胞嘧啶位點比例（其中H=A、C或T）。
B. 不同胎盤中具有不同甲基化水平的CpG位點總量比例。括號中的比率（甲基化CpG/所有CpG）從左到右分別是0.492708、0.525829、0.505327和0.502685，這些數(shù)值反映不同樣本中CpG位點甲基化水平。
C. 每個樣本CpG甲基化數(shù)據(jù)的主成分分析（PCA）結(jié)果。
D-E. HBW和LBW胎盤不同基因組特征（如啟動子、基因體、CpG島等）中CpG的平均甲基化水平。
（4）HBW和LBW胎盤中DNA甲基化譜動態(tài)變化
圖4： HBW和LBW胎盤中DNA甲基化譜動態(tài)變化：
A. 不同基因組特征上的不同甲基化區(qū)域（DMRs）所占比例。
B. Circos圖展示了所有染色體上甲基化分布的情況。從外圈到內(nèi)圈依次是：基因密度、CpG島、HBW胎盤平均甲基化水平、LBW胎盤平均甲基化水平、高甲基化DMR（hyper-methylated DMRs）、低甲基化DMRs（hypo-methylated DMRs）、HBW胎盤的平均甲基化水平、LBW胎盤的平均甲基化水平。
C. 對啟動子區(qū)域DMRs進(jìn)行轉(zhuǎn)錄因子（TF）富集分析。
D-E. 展示啟動子區(qū)域高甲基化和低甲基化DMRs的GO分析結(jié)果。
（5）HBW和LBW胎盤中DNA甲基化與基因表達(dá)的相關(guān)性
圖5：胎盤DNA甲基化組和轉(zhuǎn)錄組的綜合分析
A. 富集圖顯示不同表達(dá)水平（高、中、低和不表達(dá)）Genebody區(qū)周圍的DNA甲基化水平。
B. 四象限圖顯示在HBW和LBW胎盤中甲基化水平和表達(dá)水平均顯著變化的基因。
C. 對啟動子陰性基因（PNGs）進(jìn)行GO和KEGG富集分析。藍(lán)色：KEGG通路；紅色：GO生物過程。
D. IGV可視化工具展示HBW和LBW胎盤中ITGB1和IL1R2基因的WGBS和RNA-seq軌跡。啟動子DMRs用黃色表示。
E. 對HBW和LBW胎盤中ITGB1和IL1R2基因的啟動子進(jìn)行亞硫酸鹽特異性PCR（MSP）分析。M：甲基化等位基因；U：未甲基化等位基因。
F. 在PTr2細(xì)胞中，5-Aza誘導(dǎo)的去甲基化后選定PNGs的mRNA表達(dá)變化。
易小結(jié)
本研究首次整合RNA-seq和WGBS技術(shù)，對同窩不同出生體重仔豬胎盤的基因表達(dá)和DNA甲基化模式進(jìn)行全面分析。研究結(jié)果揭示了DNA甲基化通過調(diào)控基因表達(dá)來調(diào)節(jié)胎盤發(fā)育，可能最終導(dǎo)致仔豬出生體重差異。表明了DNA甲基化在胎盤發(fā)育和胎兒生長中的調(diào)控作用，為后續(xù)研究提供了新的視角和潛在的生物標(biāo)記。這項研究為理解出生體重的調(diào)控機(jī)制提供了重要的生物學(xué)見解，可能有助于減少后期生活中的疾病風(fēng)險，并改進(jìn)動物生產(chǎn)。
參考文獻(xiàn)：
Tan B, Xiao L, Wang Y, Zhou C, Huang H, Li Z, Hong L, Cai G, Wu Z, Gu T. Comprehensive Analysis of Placental DNA Methylation Changes and Fetal Birth Weight in Pigs. Int J Mol Sci. 2024 Jul 13;25(14) pii: ijms25147702. doi: 10.3390/ijms25147702. PubMed PMID: 39062945.
華南農(nóng)業(yè)大學(xué)顧婷副教授團(tuán)隊先前的研究揭示了受精后21天、28天和35天豬胎胎盤的DNA甲基化譜。本研究首次整合了RNA測序（RNA-seq）和全基因組亞硫酸鹽測序（WGBS），為同窩中不同出生體重仔豬胎盤提供了基因表達(dá)和DNA甲基化模式的全面分析。研究強(qiáng)調(diào)了DNA甲基化在塑造不同胎盤的轉(zhuǎn)錄程序中的關(guān)鍵作用，可能為DNA甲基化參與調(diào)控胎盤發(fā)育和仔豬出生體重提供新的見解。相關(guān)研究成果于2024年7月13日以“Comprehensive Analysis of Placental DNA Methylation Changes and Fetal Birth Weight in Pigs”（豬胎盤DNA甲基化變化與胎兒出生體重的綜合分析）為題發(fā)表在《International Journal of Molecular Sciences》（IF 5.6）期刊上。
研究對三胎杜洛克雌豬的胎盤母體取高出生體重（highest birth weight，HBW）和低出生體重（lowest birth weight，LBW）仔豬胎盤樣本進(jìn)行WGBS和RNA-seq測序分析，揭示了同窩出生體重最重和最輕仔豬胎盤的整體DNA甲基化和基因表達(dá)變化圖譜。轉(zhuǎn)錄組分析鑒定出1682個差異表達(dá)基因，揭示了不同胎盤中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄特性。研究還鑒定出可能驅(qū)動胎盤DNA甲基化模式差異的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，啟動子中DNA甲基化水平降低與與血管生成、細(xì)胞外基質(zhì)重塑和跨膜轉(zhuǎn)運相關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)。本研究結(jié)果揭示DNA甲基化在基因轉(zhuǎn)錄活性中的調(diào)控作用，從而導(dǎo)致胎盤形態(tài)結(jié)構(gòu)和仔豬出生體重的差異。這些結(jié)果可能為闡明胎盤發(fā)育和胎兒生長的潛在調(diào)控機(jī)制提供新的線索。
研究方法
- WGBS和RNA-seq繪制同窩中最重和最輕出生體重仔豬胎盤的DNA甲基化和基因表達(dá)譜。
- 比較HBW或LBW胎盤的形態(tài)學(xué)特征和基因表達(dá)模式。
- GO富集分析、KEGG通路分析、基因集富集分析（GSEA）。
研究結(jié)果
（1）HBW和LBW胎盤形態(tài)學(xué)特征和基因表達(dá)變化
圖1：高出生體重（HBW）和低出生體重（LBW）胎盤之間的形態(tài)學(xué)和基因表達(dá)變化
B. 直方圖顯示每組胎盤的血管密度。
C. 散點圖顯示出生體重與胎盤重量之間的正相關(guān)（樣本數(shù)n=13）。
D. 每份樣本基因表達(dá)數(shù)據(jù)的主成分分析（PCA）結(jié)果。
E. 基于RNA-seq的DNMTs（DNA甲基轉(zhuǎn)移酶）和dMTases（DNA去甲基化酶）表達(dá)水平熱圖。
F. LBW組與HBW組之間上調(diào)或下調(diào)差異表達(dá)基因（DEGs）重疊。
G. 差異表達(dá)基因的分層聚類熱圖。
H. 差異表達(dá)基因的Alluvial（沉積物）圖。
（2）差異表達(dá)基因的功能富集分析
A. DEGs的GO富集分析。
B. DEGs的KEGG通路分析。
C. 參與各種過程的基因的GSEA圖。
（3）HBW和LBW胎盤中DNA甲基化組特征
A. CHG、CHH和CpG位點中甲基化胞嘧啶位點比例（其中H=A、C或T）。
B. 不同胎盤中具有不同甲基化水平的CpG位點總量比例。括號中的比率（甲基化CpG/所有CpG）從左到右分別是0.492708、0.525829、0.505327和0.502685，這些數(shù)值反映不同樣本中CpG位點甲基化水平。
C. 每個樣本CpG甲基化數(shù)據(jù)的主成分分析（PCA）結(jié)果。
D-E. HBW和LBW胎盤不同基因組特征（如啟動子、基因體、CpG島等）中CpG的平均甲基化水平。
（4）HBW和LBW胎盤中DNA甲基化譜動態(tài)變化
圖4： HBW和LBW胎盤中DNA甲基化譜動態(tài)變化：
B. Circos圖展示了所有染色體上甲基化分布的情況。從外圈到內(nèi)圈依次是：基因密度、CpG島、HBW胎盤平均甲基化水平、LBW胎盤平均甲基化水平、高甲基化DMR（hyper-methylated DMRs）、低甲基化DMRs（hypo-methylated DMRs）、HBW胎盤的平均甲基化水平、LBW胎盤的平均甲基化水平。
C. 對啟動子區(qū)域DMRs進(jìn)行轉(zhuǎn)錄因子（TF）富集分析。
D-E. 展示啟動子區(qū)域高甲基化和低甲基化DMRs的GO分析結(jié)果。
（5）HBW和LBW胎盤中DNA甲基化與基因表達(dá)的相關(guān)性
A. 富集圖顯示不同表達(dá)水平（高、中、低和不表達(dá)）Genebody區(qū)周圍的DNA甲基化水平。
B. 四象限圖顯示在HBW和LBW胎盤中甲基化水平和表達(dá)水平均顯著變化的基因。
C. 對啟動子陰性基因（PNGs）進(jìn)行GO和KEGG富集分析。藍(lán)色：KEGG通路；紅色：GO生物過程。
D. IGV可視化工具展示HBW和LBW胎盤中ITGB1和IL1R2基因的WGBS和RNA-seq軌跡。啟動子DMRs用黃色表示。
E. 對HBW和LBW胎盤中ITGB1和IL1R2基因的啟動子進(jìn)行亞硫酸鹽特異性PCR（MSP）分析。M：甲基化等位基因；U：未甲基化等位基因。
F. 在PTr2細(xì)胞中，5-Aza誘導(dǎo)的去甲基化后選定PNGs的mRNA表達(dá)變化。
易小結(jié)
本研究首次整合RNA-seq和WGBS技術(shù)，對同窩不同出生體重仔豬胎盤的基因表達(dá)和DNA甲基化模式進(jìn)行全面分析。研究結(jié)果揭示了DNA甲基化通過調(diào)控基因表達(dá)來調(diào)節(jié)胎盤發(fā)育，可能最終導(dǎo)致仔豬出生體重差異。表明了DNA甲基化在胎盤發(fā)育和胎兒生長中的調(diào)控作用，為后續(xù)研究提供了新的視角和潛在的生物標(biāo)記。這項研究為理解出生體重的調(diào)控機(jī)制提供了重要的生物學(xué)見解，可能有助于減少后期生活中的疾病風(fēng)險，并改進(jìn)動物生產(chǎn)。
參考文獻(xiàn)：
Tan B, Xiao L, Wang Y, Zhou C, Huang H, Li Z, Hong L, Cai G, Wu Z, Gu T. Comprehensive Analysis of Placental DNA Methylation Changes and Fetal Birth Weight in Pigs. Int J Mol Sci. 2024 Jul 13;25(14) pii: ijms25147702. doi: 10.3390/ijms25147702. PubMed PMID: 39062945.
標(biāo)簽：
DNA甲基化
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