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題目:炎癥性腸病(IBD)腸黏膜細(xì)胞的DNA甲基化組反映內(nèi)源和外源性因素

一、研究背景

已有在炎癥性腸病(IBD)中發(fā)現(xiàn)異常DNA甲基化的報(bào)道。IBD作為一種復(fù)雜的疾病,受遺傳和環(huán)境的雙重影響,因此可認(rèn)為DNA甲基化改變與遺傳易感性變異和/或環(huán)境信號(hào)(如細(xì)胞因子)有關(guān),并試圖在本文中通過(guò)對(duì)IBD已發(fā)表的DNA甲基化數(shù)據(jù)和對(duì)照樣本共同分析來(lái)探究上述推論。

二、研究流程

三、結(jié)果解析
1．DNA甲基化的全基因組變化是IBD的共同特征

為了確定與IBD相關(guān)的腸粘膜細(xì)胞的DNA甲基化變化,重新分析了來(lái)自不同數(shù)據(jù)集的甲基化數(shù)據(jù)。為提高覆蓋率且兼顧數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)性,僅將基于Illumina兩個(gè)版本的芯片的數(shù)據(jù)納入研究,這些數(shù)據(jù)集的樣本包括兒童和成人,男性和女性IBD患者,并涉及IBD兩種主要的疾病(克羅恩病和潰瘍性結(jié)腸炎)。

使用線性模型分析了392810個(gè)CpG位點(diǎn)的DNA甲基化與IBD之間的關(guān)系。在模型中,對(duì)性別、年齡等變量進(jìn)行了矯正,并使用甲基化平均變化≥10%和FDR校正p<0．05作為篩選標(biāo)準(zhǔn)得到了4205個(gè)差異甲基化位點(diǎn)(DMP)(圖1a)。DMP在不同類型IBD和正常對(duì)照的甲基化情況展示于圖1b,DMP甲基化水平熱圖與其他信息展示于圖1c,熱圖中可發(fā)現(xiàn)差異甲基化位點(diǎn)在多個(gè)數(shù)據(jù)集中都穩(wěn)健存在。

圖1a．IBD腸粘膜細(xì)胞與對(duì)照組的差異甲基化位點(diǎn)Top6;圖1b．Top6的差異甲基化位點(diǎn)在CD、UC以及對(duì)照組中的甲基化情況

圖1c．差異甲基化位點(diǎn)甲基化水平熱圖以及相關(guān)信息

分析發(fā)現(xiàn)DMP存在一個(gè)甲基化位點(diǎn)關(guān)系密切的子集,說(shuō)明其中的位點(diǎn)存在非隨機(jī)的關(guān)聯(lián)。為探索這一結(jié)果,通過(guò)分析識(shí)別出55個(gè)差異甲基化區(qū)域(DMR,可包括多個(gè)DMP)。與預(yù)期一致,這些區(qū)域中許多對(duì)應(yīng)基因座的位點(diǎn)也能通過(guò)探針?biāo)�平的識(shí)別策略(用以識(shí)別DMP)識(shí)別出(圖2b)。

此外,因?yàn)镈MP和DMR與疾病和癌癥易感性有關(guān),在相同的數(shù)據(jù)集中使用了iEVORA算法識(shí)別差異可變甲基化CpG位點(diǎn)(DVMC),鑒定出4532個(gè)DVMC(圖2a),其中大多數(shù)位于已知的啟動(dòng)子附近(80%,轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的2kB內(nèi))。值得注意的是,這些位點(diǎn)大部分(75%)在IBD樣本顯示出比對(duì)照組更高的異質(zhì)性,且半數(shù)以上的IBD標(biāo)本甲基化程度低于對(duì)照組(63%)。

綜合上述發(fā)現(xiàn),可認(rèn)為IBD的腸粘膜表現(xiàn)出巨大的非隨機(jī)的甲基化組層面的異常,其中甲基化位點(diǎn)具有高變異性,但也存在特定位點(diǎn)平均DNA甲基化水平的穩(wěn)定變化。

圖2a．IBD腸粘膜細(xì)胞與對(duì)照組的Top6 DVMC

圖2b．DMP、DMR以及DVMC三者的重疊情況

2．IBD相關(guān)DNA甲基化改變的基因組和生物學(xué)背景

接下來(lái)基于基因和CpG島(CGI)進(jìn)行了分析,評(píng)估了IBD和對(duì)照組差異DMP的基因組分布,發(fā)現(xiàn)在CGI、基因啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)(TSS)區(qū)域DMP相對(duì)較少(圖3a-c),而DMP高度集中在非CGI區(qū)域(即open sea區(qū)域)(圖3a)�；�于DMR的通路分析提示其與代謝和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的通路存在聯(lián)系,包括脂肪生成、止血、G蛋白α亞基信號(hào)傳導(dǎo)、癌癥通路和TGF-β受體信號(hào)傳導(dǎo)。

總的來(lái)說(shuō),IBD中異常的甲基化在CGI層面相對(duì)缺少,甲基化改變與炎癥相關(guān)途徑關(guān)系密切。這種細(xì)胞因子的信號(hào)可能在下游發(fā)生。或者,它們可能代表與遺傳易感性相關(guān)的早期變化。

圖3a．DMP與CGI位置關(guān)系的分布情況;圖3b．DMP在基因中的位置分布情況;圖3c．DMP與TSS區(qū)域的距離分布情況

3．IBD-DMP與IBD風(fēng)險(xiǎn)SNP位點(diǎn)及mQTL的關(guān)系

DNA甲基化可能是基因型與疾病易感性之間的橋梁,在特定的基因組背景下,這種對(duì)DNA甲基化的遺傳影響被稱為甲基化數(shù)量性狀位點(diǎn)(mQTL)。在具有顯著遺傳關(guān)聯(lián)的差異甲基化基因中,發(fā)現(xiàn)存在JAK3、KRT8和HLA基因,與早前研究的結(jié)果可以相互印證。此外,一些DMP顯示出DNA甲基化分布的“雙峰”,排除了技術(shù)錯(cuò)誤后,可認(rèn)為這種雙峰分布可能表明它們的甲基化水平與基因型有直接關(guān)系。為了探索基因型與甲基化的關(guān)聯(lián),計(jì)算了在分析中確定的DMP與已知的IBD風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)單核苷多態(tài)性(SNP)位點(diǎn)之間的遺傳距離。在獨(dú)立比較高甲基化和低甲基化DMP后,發(fā)現(xiàn)DMP總體上與已知的IBD風(fēng)險(xiǎn)SNP位點(diǎn)非常接近(圖4)。

還探究了參與血液mQTL的IBD-DMP和CpG位點(diǎn)之間的重疊情況。雖然富集并不顯著,但4205個(gè)DMP中還是有544個(gè)與先前報(bào)告的52916個(gè)mQTL重合。為了探究上述發(fā)現(xiàn)的DMP相關(guān)的SNP位點(diǎn)是否也與IBD相關(guān),查詢了迄今為止對(duì)該病進(jìn)行的最大規(guī)模的精細(xì)定位研究,發(fā)現(xiàn)在544個(gè)mQTL中,有4個(gè)為IBD相關(guān)的SNP位點(diǎn)(rs11264305、rs17228058、rs3806308和rs3807306),分別位于ADAM15、SMAD3、RNF186和IRF5附近。上述發(fā)現(xiàn)表明至少有部分IBD異常甲基化與上游調(diào)控的遺傳易感性變異有直接關(guān)系。

圖4．DMP與已知的IBD風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)SNP位點(diǎn)之間的基因組距離

4．IBD與腹腔十二指腸上皮細(xì)胞和免疫細(xì)胞共有部分DMP

由于IBD甲基化組既與炎癥有關(guān),又與遺傳易感性有關(guān),因此認(rèn)為它也可能具有一定的普遍性。因此,選擇了乳糜瀉(CeD)——一種具有良好遺傳特性的胃腸道慢性炎癥疾病作為參考,以進(jìn)一步深入了解甲基組的特異性。分別分析了CeD中上皮和免疫組分的DNA甲基化數(shù)據(jù)。當(dāng)將IBD-DMP與上皮性CeD-DMP合并分析后,發(fā)現(xiàn)在4205個(gè)IBD-DMP和43個(gè)上皮組分CeD-DMP中,有8個(gè)是重合且常見(jiàn)的,其中5個(gè)DMP定位在6號(hào)染色體的HLA區(qū)域。另一方面,31個(gè)IBD-DMP與310個(gè)免疫組分CeD-DMP共有TGF-β信號(hào)通路(WikiPathways,調(diào)整后p=0．04419)。兩種疾病中所有常見(jiàn)的DMP都遵循相同的甲基化變化方向(都低或高甲基化),但CeD中甲基化倍數(shù)的變化更大,可能是因?yàn)樵诜蛛x的細(xì)胞群中存在其它組織而模糊了細(xì)胞特異性信號(hào)。

基于此,可認(rèn)為與IBD和CeD相關(guān)的DNA甲基化改變有明顯的重疊,其中包括與免疫密切相關(guān)的HLA區(qū)域。

小結(jié)

本篇學(xué)習(xí)筆記選擇了一種被證實(shí)與遺傳和環(huán)境都相關(guān)的疾病——IBD,通過(guò)篩選DMP、DMR和DVMC并探討它們?cè)谌旧�體中的位置以及與基因的關(guān)系發(fā)現(xiàn)了IBD表觀遺傳學(xué)上的某些特性。這樣的思路的成功之處可能在于選題較為新穎,但也需要承認(rèn)研究中發(fā)現(xiàn)的IBD甲基化特征可能與一般腸炎更為接近,需要通過(guò)進(jìn)一步的研究來(lái)完善。