中國科學院分子細胞科學卓越創新中心研究員石建濤,聯合上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院教授方海,在《基因組研究》(Genome Research)上,在線發表了題為A DNA methylation haplotype block landscape in human tissues and preimplantation embryos reveals regulatory elements defined by comethylation patterns的最新成果。該研究收集了17種正常組織的全基因組DNA甲基化數據(WGBS),并鑒定出58,385個DNA甲基化單體水平上的共甲基化區間(MHB)。大規模數據整合分析表明,MHB富集在組織特異性增強子區域,且和基因的激活相關,是一種由DNA甲基化單體特征定義的轉錄調控元件。
DNA甲基化以及相關的調控元件在基因表達調控中起到重要作用。傳統方法多利用平均甲基化來定義DNA甲基化相關的特征區域,如UMR、LMR、PMD等。然而,這些方法只關注CpG位點的平均甲基化水平,而忽略同一條染色體上的甲基化修飾模式(DNA甲基化單體)。相同的平均甲基化水平可能對應完全不同的DNA甲基化單體特征,因而具有不同的調控功能。此外,DNA甲基化單體上的兩個CpG位點之間的甲基化狀態往往不是獨立的,可能存在關聯性。前期研究利用遺傳學上連鎖不平衡的方法來識別共甲基化區域,并將它們命名為DNA甲基化單體區塊(MHB)。MHB作為生物標志物,在腫瘤早篩領域頗有應用前景,但它們的組織特異性以及潛在的生物學功能仍不明確。
在以往研究中,石建濤研究組定義了新的DNA甲基化單體格式mHap,并開發了相應的分析工具mHapTk和數據庫mHapBrowser,使得大規模、高效的整合分析成為可能。本研究收集了72個WGBS樣本數據,構建了17種正常組織的DNA甲基化單體圖譜,鑒定了每種組織中的MHB及相關的基因組特征。在矯正平均甲基化的情況下,MHB比UMR、LMR更加富集染色質開放區域,這揭示了MHB具有潛在的轉錄調控功能。研究整合ENCODE和Roadmap數據發現,MHB富集組織特異性的增強子(包括超級增強子)。進一步,分析發現,MHB傾向于分布在組織特性基因周圍,與基因的激活相關。在兩種組織中,即使平均甲基化相同的基因,MHB的獲得或者丟失與差異基因表達顯著性相關。上述成果表明MHB是一種由DNA甲基化單體特征定義的基因轉錄調控元件。
研究工作得到國家自然科學基金的資助,并獲得分子細胞卓越中心高性能計算平臺的支持。
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