构建人体等位基因特异性 DNA 甲基化图谱，解锁基因调控与疾病奥秘

为探究等位基因特异性 DNA 甲基化（ASM），研究人员分析 39 种细胞，绘制图谱，助力相关研究。

　　在生命的奇妙旅程中，基因调控就像一场精密的交响乐，而 DNA 甲基化则是其中关键的音符。DNA 甲基化作为一种稳定的表观遗传标记，能改变基因组的可及性和三维包装，让不同细胞各司其职，维持自身特性。通常情况下，父本和母本等位基因的甲基化模式大多相同，但有一小部分基因组存在等位基因甲基化差异。这种差异在胎盘功能、胚胎发育中起着重要作用，一旦印记基因的甲基化出现异常，就可能引发像贝克威思 - 威德曼综合征（Beckwith-Wiedemann syndrome）、天使综合征（Angelman syndrome）和普拉德 - 威利综合征（Prader-Willi syndrome）等发育障碍疾病。

然而，目前我们对等位基因特异性甲基化的了解还远远不够。一方面，大多数全基因组甲基组数据集依赖于 DNA 甲基化阵列，只能检测到人类基因组中 1.5%-3% 的甲基化位点，而且无法获取遗传信息和相邻位点的表观遗传依赖关系。另一方面，此前对人类印记和等位基因特异性甲基化的研究主要集中在血液这一少数细胞类型上。为了填补这些知识空白，来自耶路撒冷希伯来大学（The Hebrew University of Jerusalem）的 Jonathan Rosenski、Ayelet Peretz 等研究人员开展了深入研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员为了分析等位基因特异性甲基化和印记的情况，重新研究了人类 DNA 甲基化图谱，该图谱涵盖了从 135 名捐赠者身上收集纯化的约 40 种主要细胞类型的 202 个健康样本。研究使用的主要技术方法包括：深度全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS），对样本进行高深度测序，获取全面的甲基化信息；开发计算算法，用于识别和表征等位基因特异性甲基化区域，包括序列依赖性效应和亲本来源的等位基因特异性甲基化区域；利用父母 - 子女三人组进行验证，确定特定区域的甲基化模式与亲本来源的关系。

下面来看看具体的研究结果：

• 识别双峰甲基化区域：研究人员通过将每个 DNA 片段分类为 “大多未甲基化”“大多甲基化” 或 “混合”，计算各片段比例，开发算法识别出 324,759 个双峰甲基化区域。这些区域覆盖了所有已知的印记差异甲基化区域（iDMRs），但并非所有 iDMRs 在所有成年组织中都呈现双峰甲基化。比如 IGF₂R 的 iDMR 在部分组织中会出现细胞类型特异性的变化，有的区域会变为双等位基因低甲基化或完全甲基化，这表明亲本来源的等位基因特异性甲基化区域具有高度的细胞类型特异性可塑性。
• 按 SNP 分离的等位基因特异性甲基化模式：双峰甲基化模式可能源于多种因素，为区分这些可能性，研究人员开发了统计程序。他们检查了 gnomAD 数据库，确定了与双峰甲基化区域相交的常见 SNP。最终在 34,426 个独特的等位基因特异性甲基化区域中识别出 55,271 个 SNP，不过由于测序读长限制，实际受序列或亲本来源控制的甲基化区域可能更多。
• 亲本或序列依赖性等位基因特异性甲基化：研究人员在识别出等位基因特异性甲基化区域后，对多个样本的遗传和表观遗传模式进行检查。通过严格的统计阈值，他们确定了 460 个推定的亲本甲基化 DMRs，涵盖了大多数已知的 iDMRs，还发现了许多与已知印记基因相关的区域以及功能未知的新区域。
• 验证新的组织特异性位点的亲本来源甲基化：研究人员选择了一个在血液中完全甲基化、在上皮细胞中双峰甲基化的区域进行研究。通过对 33 个父母 - 子女三人组进行靶向 PCR 甲基化测序，他们验证了该区域未甲基化片段与父本等位基因相关，该区域位于 CHD7 基因内含子中，可能与 CHARGE 综合征的遗传模式有关。
• 调控区域的亲本等位基因特异性甲基化：亲本来源的差异甲基化对调控印记基因的等位基因特异性表达至关重要。研究发现，推定的亲本等位基因特异性甲基化区域富含启动子、增强子、转录因子结合位点等多种调控区域，还与 “母体印记” 相关，并且常与复制起点重叠。
• 印记和等位基因偏向基因附近的亲本等位基因特异性甲基化：研究人员将推定的亲本来源等位基因特异性甲基化区域与印记基因及其 iDMRs 相关联，发现了多个新的亲本等位基因特异性甲基化区域，还发现许多基因的等位基因偏向表达与双峰甲基化区域相关。此外，研究还发现了一些与疾病相关的新的双峰甲基化区域。
• 印记基因组织特异性双等位基因表达的潜在机制：虽然印记基因通常是单等位基因表达，但在某些情况下会出现组织特异性的双等位基因表达。以 IGF₂为例，研究人员发现肝脏中存在两个特定的增强子，它们在肝脏中完全未甲基化，而在其他组织中完全甲基化，这可能是 IGF₂在肝脏中逃脱母本印记、实现双等位基因表达的原因。

总的来说，研究人员构建了一个涵盖所有主要人类细胞类型的全面的等位基因特异性 DNA 甲基化图谱。通过这个图谱，研究人员发现了大量双峰甲基化区域，确定了许多具有亲本来源等位基因特异性甲基化的区域，还揭示了组织特异性印记丢失等现象，并为印记基因的组织特异性表达提供了潜在机制。该图谱为进一步研究等位基因特异性甲基化、印记基因表达的调控机制提供了重要资源，有助于深入理解遗传变异、DNA 甲基化、等位基因特异性表达和组织特异性基因表达之间的相互作用，为相关疾病的研究和诊断开辟了新的方向。