华大基因等Cell子刊首次全基因组水平解析等级表观遗传

　　

生物通报道：来自华大基因，纽约大学医学院，宾州大学医学院等多处研究机构组成的研究小组发表了题为“Genome-wide and Caste-Specific DNA Methylomes of the Ants Camponotus floridanus and Harpegnathos saltator”的文章，首次从全基因组单核苷酸水平上探究了蚂蚁的DNA甲基化与其社会等级分化之间的关系，并深入解析了蚂蚁DNA甲基化的特征，这对了解人类社会行为及衰老机制具有重要参考价值。相关成果公布在Current Biology杂志上。

文章的通讯作者分别是纽约大学医学院Danny Reinberg，华大基因国际联盟动植物项目负责人张国捷，亚利桑那州立大学Jürgen Liebig，以及宾州大学医学院Shelley L. Berger。第一作者分别为纽约大学医学院Roberto Bonasio，以及华大基因这一项目负责人李启业。

大约在一个世纪前，我们就知道动物能形成社会等级。1921年，挪威科学家Thorleif Schjelderup-Ebbe在鸡中首次发现了这种等级制度。个体社会等级深刻的影响着个体的健康和生活质量，比如配对配偶，食物，以及环境处所的优先权。等级现象很早就会出现——2岁儿童中就会出现等级。

这种等级在蚂蚁中表现得尤为明显，这种群居性昆虫在它们的社会中等级森严，分工细致，有专门负责产卵和繁殖后代的蚁后，有负责建造蚁巢、采集食物和饲养幼虫的工蚁，还有专职与蚁后交配的雄蚁。同一蚁群内的蚂蚁个体拥有着相同的遗传物质，但对于不同等级的个体，它们在行为和形态上差异极大。

科研人员推测蚂蚁等级分化的过程可能与干细胞分化有点类似，其中表观调控机制很可能在蚂蚁的社会等级分化中起着重要作用。在这篇文章中，研究人员分别对处于不同社会等级和发育阶段的佛罗里达弓背蚁和印度跳蚁进行了DNA甲基化研究。DNA甲基化作为一种高等生物中保守的表观遗传修饰，在维持基因组稳定性，调控基因表达和介导转基因沉默等生物过程中起着非常重要的作用。

虽然两种蚂蚁在1亿多年前就已经分化，但研究人员发现某些与等级分化及发育变化相关的差异甲基化基因在这两种不同的蚂蚁中是保守的，例如与繁殖、端粒维持和非编码RNA代谢调控等相关的一些基因。

研究人员发现在蚂蚁的不同发育阶段，不仅CpG位点发生了甲基化，而且不少非CpG位点也发生了甲基化。对于这种非CpG位点发生甲基化的情况，过去仅在具有很高甲基转移酶活性的小鼠和人胚胎干细胞中发现过。研究人员发现幼年蚁和成年蚁中的非CpG位点都发生了甲基化，这暗示非CpG位点甲基化可能与蚂蚁的某些重要生物学功能相关。

此外，研究人员还发现蚂蚁的DNA甲基化多发生在转录活跃的基因的外显子区域，特别是基因的第二个外显子上。外显子区域DNA甲基化的差异可能与可变剪切相关，比如外显子跳跃以及剪切位点的选择，从而影响到基因表达。

除此之外，他们还发现某些基因位点发生了单等位基因甲基化，而且对于个别基因位点，哪个等位基因发生甲基化取决于蚂蚁的社会等级。在脊椎动物中，单等位基因甲基化是重要的表观遗传学现象——基因组印迹的基础，但在无脊椎动物中，目前尚未有发现。

李启业表示，深入研究比较这两种蚂蚁不同发育阶段不同社会等级样品的DNA甲基化特征，发现了许多在蚂蚁中保守而有趣的甲基化模式，并证实了DNA甲基化调控对蚂蚁等级分化的重要作用。

“这一项目是继2010年发表的弓背蚁和印度跳蚁基因组成果后的又一重要研究成果，我们深入研究比较了这两种蚂蚁不同发育阶段不同社会等级样品的DNA甲基化特征，发现了许多在蚂蚁中保守而有趣的甲基化模式，并证实了DNA甲基化调控对蚂蚁等级分化的重要作用。后续，我们将会继续探讨其他调控机制，如RNA编辑、非编码RNA等对蚂蚁社会分工的影响。”

这是首次在蚂蚁中进行的全基因组甲基化研究。由于工蚁和蚁后在行为和寿命等方面均具有显著的表型多样性，表观遗传调控机制应在决定蚂蚁等级分化及其所扮演的蚁群角色中起着关键作用。本次完成的首个蚂蚁表观遗传图谱有助于深入理解同一蚁群中拥有相同基因组的蚂蚁是如何分化成不同的等级。

（生物通：万纹）

附：

华大基因蚂蚁基因组
简介
为研究社会型昆虫的社会行为的新模式生物奠定基础。
详述
华大基因与亚利桑那州立大学、纽约大学医学院、宾夕法尼亚大学医学院的国际研究小组合作的蚂蚁基因组项目是华大基因启动的“千种动植物基因组计划”一期项目之一。
蚂蚁基因组研究使蚂蚁成为研究社会行为、衰老、以及神经生物学的新模式生物奠定了基础，尤其为后续研究表观遗传对行为、衰老等过程的调控机制铺平了道路。
发表文章
.Roberto Bonasio, Guojie Zhang, Chaoyang Ye,et al.Genomic Comparison of the Ants Camponotus floridanus and Harpegnathos saltator.Science,2010.

原文摘要：

Genome-wide and Caste-Specific DNA Methylomes of the Ants Camponotus floridanus and Harpegnathos saltator

Background
Ant societies comprise individuals belonging to different castes characterized by specialized morphologies and behaviors. Because ant embryos can follow different developmental trajectories, epigenetic mechanisms must play a role in caste determination. Ants have a full set of DNA methyltransferases and their genomes contain methylcytosine. To determine the relationship between DNA methylation and phenotypic plasticity in ants, we obtained and compared the genome-wide methylomes of different castes and developmental stages of Camponotus floridanus and Harpegnathos saltator.


Results
In the ant genomes, methylcytosines are found both in symmetric CG dinucleotides (CpG) and non-CpG contexts and are strongly enriched at exons of active genes. Changes in exonic DNA methylation correlate with alternative splicing events such as exon skipping and alternative splice site selection. Several genes exhibit caste-specific and developmental changes in DNA methylation that are conserved between the two species, including genes involved in reproduction, telomere maintenance, and noncoding RNA metabolism. Several loci are methylated and expressed monoallelically, and in some cases, the choice of methylated allele depends on the caste.


Conclusions
These first ant methylomes and their intra- and interspecies comparison reveal an exonic methylation pattern that points to a connection between DNA methylation and splicing. The presence of monoallelic DNA methylation and the methylation of non-CpG sites in all samples suggest roles in genome regulation in these social insects, including the intriguing possibility of parental or caste-specific genomic imprinting.