易基因｜TSD物种全基因组DNA甲基化模式对孵育性别和过去孵育温度的响应 | 性别决定
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2022年8月23日，《MOLECULAR ECOLOGY》杂志发表题为“Genome-wide DNA methylation patterns harbour signatures of hatchling sex and past incubation temperature in a species with environmental sex determination”的研究论文，该研究通过简化基因组甲基化测序（RRBS）等实验揭示在环境型性别决定物种中，全基因组 DNA 甲基化模式具有孵育性别和过去孵育温度的特征。
标题：Genome-wide DNA methylation patterns harbour signatures of hatchling sex and past incubation temperature in a species with environmental sex determination
时间：2022.08.23
期刊：MOLECULAR ECOLOGY
影响因子：IF 6.622
技术平台：RRBS
样本实验：
背景意义：
预计包括鳄鱼在内的温度依赖型性别决定（temperature-dependent sex determination，TSD）物种会由于气候变化而面临种群性别比例高度失衡的问题。DNA甲基化模式具有作为环境诱导的生物表型的标志物的潜力，这对于面临气候诱导的种群崩溃问题的热敏感物种尤其重要。通过血液中DNA甲基化模式这种新途径，负责管理气候变化下TSD物种种群的人能够洞察正在进行的性别比例变化以及野外孵育条件的变化。
本课题研究了孵育的TSD物种（美国短吻鳄）血细胞DNA甲基化组中与性别或温度相关的变化。同时进一步利用这些DNA甲基化模式开发了预测孵育性别和过去孵育温度的模型。并利用预测模型评估了DNA甲基化标记对处于快速变化环境下的TSD物种的潜在保护作用。在野外监测性别比例对这类物种特别重要，该研究结果对未来的保护具有独特的意义。
研究结果
（1）全基因组DNA甲基化模式具有孵育性别和过去孵育温度的特征
图1：与性别相关的差异甲基化模式
- 小提琴图描绘了每个处理组的universal sex-associated DMCs的甲基化百分比的密度
- 热图描绘了所有样本中universal sex-associated DMCs的甲基化百分比
- 直方图描绘了每个DMC的甲基化百分比差异
图2：与温度相关的差异甲基化模式
- 小提琴图描绘了所有与温度相关的差异甲基化胞嘧啶(DMC)的甲基化百分比的密度
- 热图描绘了所有样品中所有与温度相关的DMC的甲基化百分比
- 直方图描绘了每个 DMC 的甲基化百分比差异
图3：孵育温度与全基因组DNA甲基化模式之间的相关性
- 柱状图展示了温度相关性的Spearman相关系数
- 箱线图展示了温度相关的DMC和所有其他基因座之间的绝对Spearman相关系数
- 散点图展示了与温度相关性最高的前八个位点的甲基化百分比与孵育温度的关系
（2）DMC不在启动子区富集，但启动子区或基因体区的DMC往往与参与血液和免疫相关过程的基因有关
图4：性别和温度相关的差异甲基化基因座的基因组表征
- 启动子、外显子、内含子和基因间区的CpG比例
- 每1kb序列 CpG的不同CpG比例
- 所有样本中平均甲基化率不同的CpG的比例
Table S3：启动子区DMC相关基因的GO富集分析
（3）与性别相关的DMC共同表现出与雌二醇（E2）浓度的相关性
图5：血浆雌二醇（E2）浓度与全基因组DNA甲基化模式之间的相关性。
- 箱线图展示了处理组之间血浆 E2的浓度
- 直方图描绘了 E2相关性的 Spearman 相关系数
- 箱线图展示了与性别相关的 DMC 和所有其他基因座之间的绝对 Spearman 相关系数
- 散点图描绘了甲基化百分比和血浆E2浓度之间的关系，展示了前八个最显著相关的位点
（4）胞嘧啶不同子集的甲基化模式预测孵育性别和过去孵育温度
图6：基于胞嘧啶子集甲基化状态的孵育性别和过去孵育温度的预测模型
- 对训练集的孵育性别预测
- 对测试集的孵育性别预测
- 对训练集的孵育温度预测
- 对测试集的孵育温度预测
（5）与孵育的血细胞相比，温度依赖性别决定后的胚胎性腺显示出更广泛的温度相关的DNA甲基化模式
图7：温度依赖性性别决定后血液中和胚胎性腺中与温度相关的DNA甲基化模式比较。
- 柱状图展示了血液和性腺 RRBS 数据共同覆盖的CpG位点中的与孵育温度有关的DMC的比例
- 箱线图展示了在每个组织中鉴定的与温度相关的DMC的甲基化差异百分比
- 柱状图展示了在每个组织中鉴定的与温度相关的 DMC 在不同基因元件上的分布
结论：
本研究利用RRBS分析了孵育的美国短吻鳄血细胞中的 DNA 甲基化组，鉴定出了120个与性别相关的DMC以及707个独特的与温度相关的 DMC。同时进一步开发了基于 DNA甲基化的模型，该模型在一定程度上能够预测孵育性别及孵育温度。 虽然血细胞中的 DNA甲基化模式与在 TSD 期间发生在胚胎性腺中的表观基因组模式在很大程度上是独立的，但是其可以作为保护应用中孵育性别及过去孵育条件的非致死性标记。这些发现也引发了有关发育可塑性背景下组织特异性表观基因组模式的有趣问题。
关于易基因简化基因组甲基化测序研究解决方案
简化甲基化测序(Reduced Representation Bisulfite Sequencing,RRBS)是利用限制性内切酶对基因组进行酶切，富集启动子及CpG岛等重要的表观调控区域并进行重亚硫酸盐测序。该技术显著提高了高CpG区域的测序深度，在CpG岛、启动子区域和增强子元件区域可以获得高精度的分辨率，是一种准确、高效、经济的DNA甲基化研究方法，在大规模临床样本的研究中具有广泛的应用前景。
为适应科研技术的需要，易基因进一步开发了可在更大区域内捕获CpG位点的双酶切RRBS(dRRBS)，可研究更广泛区域的甲基化，包括CGI shore等区域。
为助力适用低起始量DNA样本（5ng）量多维度甲基化分析，易基因开发了富集覆盖CpG岛、启动子、增强子、CTCF结合位点的甲基化靶向基因组测序方法：extended-representation bisulfite sequencing（XRBS），实现了高灵敏度和微量样本复用检测，使其具有高度可扩展性，并适用于有限的样本和单个细胞基因组CG位点覆盖高达15M以上。
技术优势：
- 起始量：100ng gDNA；
- 单碱基分辨率；
- 多样本的覆盖区域重复性可达到85%-95%、测序区域针对高CpG调控区域，数据利用率更高；
- 针对性强，成本较低；
- 基因组CG位点覆盖高达10-15M，显著优于850K芯片。
应用方向：
RRBS/dRRBS/XRBS广泛应用于动物，要求全基因组扫描（覆盖关键调控位点）的：
- 队列研究、疾病分子分型、临床样本的甲基化 Biomarker 筛选
- 复杂疾病及肿瘤发病机制等甲基化研究
- 模式动物发育和疾病甲基化研究
| 技术参数 | RRBS | DRRBS | cfDNA-RBS | Micro-RBS | sc-RBS |
|---|---|---|---|---|---|
| 原理 | MspI酶切+连接接头 | 多酶切+连接接头 | CCGG邻近片段连接接头 | CCGG邻近片段连接接头 | CCGG邻近片段连接接头 |
| 样本要求 | 1μg | 1μg | 1ng | 1ng | 单细胞/1-10个细胞 |
| 测序数据量 | 10G | 15G | 20G | 20G | 2G |
| 5XCG位点覆盖 | 6M | 8M | 6M | 10M | 4-8M |
易基因科技提供全面的DNA甲基化研究整体解决方案，技术详情了解请致电易基因。
参考文献：
Bock SL, Smaga CR, McCoy JA, Parrott BB. Genome-wide DNA methylation patterns harbour signatures of hatchling sex and past incubation temperature in a species with environmental sex determination. Mol Ecol. 2022 Nov;31(21):5487-5505.
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