WGBS揭示哮喘儿童增强子区域整体低甲基化- 大数跨境

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WGBS揭示哮喘儿童增强子区域整体低甲基化

Biolinker

2023-10-27

导语

儿童哮喘是遗传和环境因素复杂相互作用的结果，会导致免疫失调、气道炎症和肺功能受损。

目前对儿童哮喘增强子区域（enhancer region）失调知之甚少，因此，作者通过全基因组重亚硫酸盐测序(Whole Genome Bisulfite Sequencing，WGBS)研究哮喘儿童与健康对照组的DNA甲基化谱。

2023年6月德国肺病研究中心Irina Lehmann团队在Allergy期刊（(IF=12.4）上发表了题为“Global hypomethylation in childhood asthma identified by genome-wide DNA-methylation sequencing preferentially affects enhancer regions”的文章，研究结果确定了增强子区域的显著失调是儿童哮喘的标志。

实验设计

样本类型：全血DNA样本

哮喘儿童组：40名诊断为哮喘的儿童

健康对照组：42名无哮喘病史及其他呼吸道症状的儿童

测序：Illumina HiSeq 2000；Illumina HiSeq X Ten V2.5；whole genome bisulfite sequencing

主要结果

一、儿童哮喘的全基因组DNA低甲基化

为了在单碱基对分辨率下评估哮喘儿童整体DNA甲基化模式的表观遗传改变；

作者对来自三个队列LINA, LISA和PASTURE 的82名儿童的全血样本进行了WGBS，获得了高质量的WGBS数据。

使用不同的两种算法确定了158个差异甲基化区域 (Differentially methylated regions，DMR)。

Figure1. Study design

二、DNA甲基化模式改变与免疫调节紊乱有关

作者发现绝大多数与哮喘相关的DMRs来自低甲基化的哮喘儿童。

为了揭示哮喘与异常甲基化谱的相关性，作者进行了通路富集分析。发现与哮喘通路相关的通路强富集以及与免疫系统相关通路富集，如已知的IL5RA（interleukin 5 receptor subunit alpha，白细胞介素5受体亚基α）；

DNA甲基化的两个DMRs与哮喘途径(嗜酸性粒细胞过氧化物酶，EPX)相关，位于EPX第6外显子和IL5RA启动子的DMRs显著低甲基化，此外两个DMRs均与相关基因EPX的相对基因表达量呈负相关。

Figure2. DMR distribution and down-stream analyses

三、哮喘DNA甲基化变化影响调节中枢

作者发现DMRs与不同转录因子相关的motifs富集，此外，三分之二的DMRs位于基因组调控元件中，74%的DMRs与增强子相交，1%与启动子相交

其中一个低甲基化的增强子区域显示出增强子特异性的ENCODE组蛋白修饰谱和与IL4启动子的ChiAPET相互作用，IL4 DNA甲基化与IL4转录相关。

结果表明IL-4 DNA甲基化通过IL-4转录作为中介对IL-4蛋白浓度有显著的间接影响。

Figure3. Genomic location of asthma-related DMRSSs and functional translation of IL4 enhancer hypomethylation.

四、受DNA甲基化影响的基因在功能上相互联系

为了阐明DMRs相关基因(435个基因)功能连接，作者建立网络模块通路富集。

发现这些模块与免疫反应和炎症、纤毛组装和一般基因调控以及Jak-STAT信号有关。

此外，作者还发现了与哮喘无关的新基因，如a激酶锚定蛋白-9 (AKAP9)。

Figure4. Network module analysis of asthma-DMRs-associated genes. Shown are all asthma-DMRs-associated genes, which show a predicted or experimentally based interaction

总结

综上所述，该研究通过全基因组重亚硫酸盐测序（WGBS）来有研究哮喘儿童与健康对照组相比的整体DNA甲基化谱。与对照组相比，哮喘儿童全血样本中共鉴定出158个DMRs，其中37%与嗜酸性粒细胞含量相关，还鉴定出主要影响增强子区域并调控关键免疫基因（如IL4、IL5RA和EPX）的整体低甲基化，这些DMRs可能与异常基因表达有关（在267个样本中得到验证）。