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組學(xué)研究揭示不同牛品種的DNA甲基化、染色質(zhì)和基因表達(dá)互作機(jī)制

瀏覽次數(shù):465 發(fā)布日期:2023-6-15  來(lái)源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)
大家好,這里是專注表觀組學(xué)十余年,領(lǐng)跑多組學(xué)科研服務(wù)的易基因。
 
在全球范圍內(nèi),牛為60多億人提供了重要的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源。傳染病是養(yǎng)牛生產(chǎn)的主要限制因素,且許多疾病人畜共患,因此與人類健康直接相關(guān)。近年來(lái)牛的許多復(fù)雜性狀遺傳基礎(chǔ)得到了廣泛研究,但不同動(dòng)物的大量重要表型變化仍無(wú)法解釋,人們?cè)絹?lái)越關(guān)注非遺傳變異(包括基因表達(dá)、DNA甲基化和染色質(zhì))與重要牛表型的潛在相關(guān)性。為充分了解牛性狀的非遺傳成分、基因與環(huán)境互作的重要性以及遺傳變異如何通過甲基化影響表型,有必要分析整個(gè)基因組中的染色質(zhì)和甲基化狀態(tài),并了解其在動(dòng)物和品種中的變化方式和位置。

2023年05月22日,愛丁堡大學(xué)皇家 (迪克) 獸醫(yī)學(xué)院Liam J. Morrison和 James G. D. Prendergast團(tuán)隊(duì)在《Genome Biology》雜志發(fā)表了題為“Profiling the immune epigenome across global cattle breeds”的研究論文,該研究通過使用簡(jiǎn)化甲基化測(cè)序(RRBS)、ATAC-seq、RNA-seq繪制了Holstein Friesian(歐洲taurine)、 N’Dama(非洲taurine)和 Nelore(印度indicine)三個(gè)不同牛品種的DNA甲基化、染色質(zhì)可及性和RNA表達(dá)譜。


標(biāo)題:Profiling the immune epigenome across global cattle breeds(分析不同牛品種的免疫表觀基因組)
時(shí)間:2023.05.22
期刊:Genome Biology
影響因子:IF 17.906
技術(shù)平臺(tái):RRBS、ATAC-seq、RNA-seq
樣本實(shí)驗(yàn):
Holstein Friesian牛(歐洲taurine)、 N’Dama牛(非洲taurine)、Nelore牛(印度indicine)三種不同雌性牛品種(每個(gè)品種三頭)的七個(gè)主要血液免疫細(xì)胞類型(B細(xì)胞、CD4 αβ T細(xì)胞、CD8 αβ T細(xì)胞、γδ T細(xì)胞、NK細(xì)胞,單核細(xì)胞和粒細(xì)胞)
 
研究摘要:
了解對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境和病原體適應(yīng)良好和適應(yīng)性差的牛品種間差異對(duì)于培育具有改良?xì)夂蚝涂共”硇偷呐V陵P(guān)重要。盡管在鑒定品種間的遺傳差異方面已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展,但表觀遺傳和染色質(zhì)水平變化仍未表征。本研究以單堿基分辨率生成、測(cè)序和分析了150多個(gè)文庫(kù),以研究三個(gè)不同牛譜系中牛免疫系統(tǒng)的DNA甲基化和染色質(zhì)可及性變化。研究結(jié)果表明發(fā)現(xiàn)taurine牛和indicine牛在免疫細(xì)胞類型上存在廣泛的表觀遺傳差異,這與兩個(gè)牛譜系之間的局部DNA序列差異水平有關(guān)。特異性細(xì)胞類型譜能夠使用數(shù)字細(xì)胞術(shù)對(duì)復(fù)雜的細(xì)胞混合物進(jìn)行反卷積。最后,根據(jù)CpG島的染色質(zhì)和甲基化譜分析了CpG島的不同亞群類別,這些亞群區(qū)分了與離散轉(zhuǎn)錄狀態(tài)相關(guān)的遠(yuǎn)端島和基因近端島。
本研究提供了三個(gè)不同牛品種的DNA甲基化、染色質(zhì)可及性和RNA表達(dá)譜的綜合資源?赡軐(duì)設(shè)計(jì)有效的非歐洲品種牛表觀基因組廣泛關(guān)聯(lián)研究產(chǎn)生不同的影響。

研究結(jié)果
(1)染色質(zhì)可及性、DNA甲基化和轉(zhuǎn)錄組免疫圖譜的生成和驗(yàn)證
分別以Holstein Friesian牛、N'Dama牛和Nelore牛的7種主要血液免疫細(xì)胞類型(B細(xì)胞、CD4αβT細(xì)胞、CD8αβT細(xì)胞、γδT細(xì)胞、NK細(xì)胞、單核細(xì)胞和粒細(xì)胞)為靶點(diǎn),使用RRBS和ATAC-seq分析全基因組DNA甲基化和染色質(zhì)可及性(圖1A)。由于N’Dama牛品種在樣本采集和細(xì)胞分離中的挑戰(zhàn),該品種的4個(gè)ATAC-seq和3個(gè)RRBS樣本被排除在研究之外。因此,三個(gè)品種九頭牛的B細(xì)胞、CD4αβT細(xì)胞、γδT細(xì)胞和單核細(xì)胞數(shù)據(jù)總共產(chǎn)生了119個(gè)文庫(kù)。為了在下游分析中進(jìn)行比較,還為來(lái)自Holstein Friesian牛和Nelore牛的細(xì)胞類型子集生成了26個(gè)RNA-seq文庫(kù)。

 
圖1:三個(gè)遺傳多樣性牛品種原代血細(xì)胞中染色質(zhì)景觀研究
  1. 從Holstein Friesian牛、N'Dama牛和Nelore牛(每個(gè)品種三頭)共九頭牛中收集的RRBS,ATAC-seq和RNA-seq細(xì)胞類型概述示意圖。底部顯示了每個(gè)品種收集的RRBS、ATAC-seq和RNA-seq樣品總數(shù)。
  2. ;蛐蛿(shù)據(jù)的主成分分析(PCA)。使用298頭牛的27379808個(gè)變體進(jìn)行分析。
  3. 免疫相關(guān)基因的甲基化水平、染色質(zhì)可及性和基因表達(dá)。熱圖顯示免疫相關(guān)基因啟動(dòng)子的甲基化(左)和染色質(zhì)可及性(中)及其相應(yīng)表達(dá)(右)(TSS上游1000 bp和下游500 bp)。右側(cè)條形圖顯示了每個(gè)轉(zhuǎn)錄本的TSS與最近CGI的距離。甲基化熱圖中的黑條表示在給定啟動(dòng)子中發(fā)現(xiàn)少于5個(gè)CpG位點(diǎn)被至少5個(gè)reads覆蓋的樣品。SIRPA表示SIRPα,gdT細(xì)胞表示γδT細(xì)胞。該圖表明與以前的報(bào)道一致,CD4+CD8+雙陽(yáng)性T細(xì)胞的數(shù)量可能很少,因?yàn)镃D4和CD8表達(dá)在很大程度上靶向各自細(xì)胞類型。

與預(yù)期一致,ATAC-seq數(shù)據(jù)顯示片段長(zhǎng)度具有明顯的周期性,與跨越不同核小體數(shù)量的片段一致。RRBS數(shù)據(jù)在CpG島(CgIsland,CGI)顯著富集,所有樣本中CpG島約56%的CpG位點(diǎn)至少有10reads覆蓋,另25%位于CGI附近2 kb區(qū)域的CGI海岸(圖2A)。相比之下,只有約1%的參考基因組含有CGI。與許多含有CGI的基因啟動(dòng)子一致,48%的CpG位點(diǎn)位于啟動(dòng)子區(qū)域(圖2B)。

 
圖2:細(xì)胞類型和牛譜系之間的DNA甲基化差異。所有樣本的CpG位點(diǎn)(9084個(gè)位點(diǎn))中至少有10reads覆蓋位點(diǎn)。

A~B.  CpG位點(diǎn)注釋與定義的基因組特征重疊。當(dāng)CpG位點(diǎn)與多個(gè)基因組特征重疊時(shí),優(yōu)先順序:?jiǎn)?dòng)子>外顯子>內(nèi)含子。
C.    CpG位點(diǎn)甲基化水平的PCA分析。
D.    基于CpG位點(diǎn)甲基化水平的樣品無(wú)監(jiān)督分層聚類。根據(jù)Spearman相關(guān)系數(shù)對(duì)樣本進(jìn)行聚類,其中前50% CpG位點(diǎn)在所有樣本(4542個(gè)位點(diǎn))中表現(xiàn)出最高標(biāo)準(zhǔn)偏差。gdT細(xì)胞表示γδT細(xì)胞

(2)細(xì)胞類型和牛譜系之間的差異甲基化
通過對(duì)細(xì)胞類型、牛品種和牛譜系的成對(duì)比較來(lái)分析樣本的CGI甲基化水平。對(duì)24598個(gè)CGI進(jìn)行分析,其中3036個(gè)CGI在至少一個(gè)比較中存在顯著差異(q值≤0.01,甲基化水平差異≥25%)。成對(duì)比較中差異甲基化CpG島(DMI)的共存如圖3A。這些DMI中的大多數(shù)(2675)是在B細(xì)胞與另一種細(xì)胞類型的比較中鑒定出來(lái)的?偟膩(lái)說(shuō),在至少一個(gè)品種或譜系的比較中鑒定出348個(gè)DMI,與歐洲和非洲兩個(gè)taurine品種相比,200個(gè)DMI在indicine中具有特異性甲基化譜。

 
圖3:細(xì)胞類型、牛品種和牛譜系之間差異甲基化CGI的比較。
  1. 在標(biāo)記的成對(duì)比較中鑒定出差異甲基化CGI(甲基化差異≥25%,q值≥0.01)的Upset plot圖。右側(cè)條形圖顯示了每次比較中顯著差異甲基化CGI數(shù)量。頂部注釋條顯示了在黑點(diǎn)指示比較中顯著差異甲基化的CGI數(shù)量。僅顯示至少6個(gè)顯著差異甲基化CGI的比較集。底部箱形圖顯示了CGI在每個(gè)組合集中到蛋白質(zhì)編碼基因的最近TSS距離分布。左側(cè)文本表示在每個(gè)成對(duì)比較中比較的組,其中“.”將組1和組2分開。
  2. Holstein Friesian牛(歐洲taurine)、 N'Dama牛(非洲taurine)、Nelore牛(印度indicine)之間差異甲基化的CGI熱圖。CGI僅限TSS 2000 bp內(nèi),且在所有樣品中最近基因的平均表達(dá)均>10 TPM。RNA-seq log2FC是平均Holstein Friesian RNA-seq信號(hào)和平均Nelore RNA-seq信號(hào)之間的log2倍變化,其中正log2FC(紅點(diǎn))表示Holstein Friesian牛中高表達(dá),負(fù)log2FC(藍(lán)點(diǎn))表示Nelore牛中較表達(dá)。Bcell =B細(xì)胞,CD4=CD4 T細(xì)胞,CD8=CD8 T細(xì)胞,gdT=γδT細(xì)胞,NK=NK細(xì)胞,mono =單核細(xì)胞,gran =粒細(xì)胞
 
(3)牛譜系之間遺傳和表觀遺傳差異之間的相關(guān)性
圖4:種群間甲基化差異升高的CpG島平均顯示遺傳差異升高。
 
A、CGI狀態(tài)的平均同一性表明,將所有細(xì)胞類型放在一起比較,Holstein Friesian和Nelore品種之間的甲基化差異水平不同。顯示平均值的標(biāo)準(zhǔn)差。與這對(duì)種群之間的其他CGI(綠色)相比,甲基化差異相對(duì)較高的CGI通常也顯示出較高的遺傳差異(IBS較低)。相反,種群間的甲基化差異在很大程度上與個(gè)體群體內(nèi)計(jì)算的IBS評(píng)分無(wú)關(guān)(灰色)。
B。IBS(左)或FST評(píng)分(右)與細(xì)胞類型和群體比較甲基化差異之間的關(guān)聯(lián)。每個(gè)細(xì)胞表示特定細(xì)胞類型中的甲基化差異與群體比較(行)以及成對(duì)群體(列)之間的遺傳差異之間的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度。黃色/紅色顯示顯著關(guān)聯(lián)(校正FDR P<0.05),白色/藍(lán)色顯示不顯著結(jié)果。HF=Holstein Friesian,ND=N'Dama,NL=Nelore,Ind=Bos indicus
 
(4) 將CpG島分為六個(gè)簇,每個(gè)品種具有不同的表觀遺傳譜
圖5:CGI的無(wú)監(jiān)督聚類分析鑒定出不同的染色質(zhì)景觀。
A、Holstein Friesian牛數(shù)據(jù)中 CGI甲基化水平和ATAC-seq信號(hào)聚類分析(RPKM)。聚類采用期望最大化(EM)算法擬合的有限高斯混合模型(GMM)進(jìn)行。每個(gè)CGI僅配對(duì)一個(gè)TSS附近基因。顯示每個(gè)CGI附近基因的RNA-seq表達(dá)以及每個(gè)CGI與TSS附近距離。簇通過增加中位甲基化水平進(jìn)行排序,并根據(jù)此順序編號(hào)。
B、 Circos圖顯示品種對(duì)之間不同聚類的CGI重疊程度。優(yōu)先順序如下:Holstein Friesian>N'Dama>Nelore。最外層標(biāo)簽表示聚類分析中使用的品種數(shù)據(jù),后跟聚類編號(hào)。最外面條形圖顯示屬于其他兩個(gè)品種聚類的每個(gè)品種中CGI的相對(duì)重疊。
 
(5)基于DNA甲基化譜的復(fù)雜細(xì)胞混合物反卷積
圖6:基于DNA甲基化譜的細(xì)胞混合物反卷積
  1. 每個(gè)體外混合物和裂解血液樣本中細(xì)胞亞群相對(duì)比例條形圖。體外細(xì)胞混合物,“expected”是指用于生成混合物的FACS純化細(xì)胞類型的已知比例。對(duì)于裂解的血液樣本,“expected”是指通過流式細(xì)胞術(shù)分析的每個(gè)細(xì)胞亞群的比例。每個(gè)混合物的后續(xù)四條顯示CIBERSORTx使用指定品種的參考樣本分析的每種細(xì)胞類型比例。
B~C.   散點(diǎn)圖比較流式細(xì)胞術(shù)與CIBERSORTx值,其中僅使用Holstein Friesian(B)或Nelore(C)參考樣品預(yù)測(cè)混合物組成。通過Spearman秩相關(guān)(rs)和線性回歸(實(shí)線)鑒定一致性。gdT細(xì)胞表示γδT細(xì)胞

易基因小結(jié):
本研究生成了全面的數(shù)據(jù)集,為七種免疫細(xì)胞類型和三個(gè)牛品種的DNA甲基化、染色質(zhì)可及性和基因表達(dá)互作提供了見解。本研究數(shù)據(jù)將有助于鑒定不同細(xì)胞類型、不同牛品種和物種的保守或不同的表觀遺傳模式和調(diào)控機(jī)制。這將有助于理解進(jìn)化譜系表型變異的過程,在功能上驗(yàn)證與性狀相關(guān)的遺傳變異,并有助于牛的遺傳改良計(jì)劃,以培育具有更強(qiáng)大免疫系統(tǒng)的動(dòng)物。

參考文獻(xiàn):
Powell J, Talenti A, Fisch A, Hemmink JD, Paxton E, Toye P, Santos I, Ferreira BR, Connelley TK, Morrison LJ, Prendergast JGD. Profiling the immune epigenome across global cattle breeds. Genome Biol. 2023 May 22;24(1):127.
來(lái)源:深圳市易基因科技有限公司
聯(lián)系電話:0755-28317900
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