表观遗传学自提出以来，众多表观组学相关的技术日新月异，这些技术也为表观遗传学的发展助力。在众多表观技术的研究中，甲基化修饰无疑是其中最重要的一环。DNA甲基化是调控哺乳动物和植物多种生物学功能的重要表观遗传标记机制。DNA甲基化在细胞分化、胚胎发生、基因组印记和x染色体失活中起着至关重要的作用。DNA甲基化动力学受三个过程的调控:DNA重新甲基化、甲基化维持和DNA去甲基化。这些过程在哺乳动物和植物之间既有相似之处，也有不同之处。比如清华大学颉伟课题组利用未成熟卵母细胞原位显微注射技术（OMIS），在斑马鱼里建立了DNA甲基转移酶dnmt1的母源敲低模型，证明了全基因组范围内大幅度降低斑马鱼早期胚胎的DNA甲基化水平会导致早期胚胎致死。结果表明，高DNA甲基化是斑马鱼早期胚胎正常发育所必需的，并提出一个模型来解释哺乳动物和其他的脊椎动物为什么采用了不同的DNA甲基化重编程模式（图1）。图1：哺乳动物和非哺乳动物分别利用DNA甲基化整体擦除重建以及维持高DNA甲基化并实现增强子去记忆化擦除亲本表观遗传记忆和重置发育时钟
而在植物中，不同类型的环境胁迫已经显示出通过基因组改变DNA甲基化原型的能力，改变基因表达，并提供一种适应机制。 (A)启动子DNA甲基化(红圈)抑制转录活性和基因表达；(B)编码的甲基化区域产生一个不可接近的染色质结构抑制异常转录开始；(C) DNA甲基化通过沉默转座子和其他DNA重复影响基因组稳定性序列（图2）。
图2：DNA甲基化在植物细胞中的不同调控作用
那么我们怎么去研究DNA甲基化呢？
WGBS（Whole Genome Bisulfite Sequencing）作为DNA甲基化研究的主要手段之一，颇受大家关注。本期小编精选了3篇与WGBS有关的客户文章，为大家提供研究思路。
1. 黄鳝卵巢与睾丸全基因组DNA甲基化及转录组学的综合分析
2021年7月12日，上海海洋大学食品科学学院在杂志Aquaculture research（IF2022=2.184）发表题为“Comprehensive analysis of genome-wide DNA methylation and transcriptomics between ovary and testis in Monopterus albus”的研究论文。该研究采用了全基因组甲基化测序和转录组综合分析，比较了黄鳝卵巢和睾丸的差异甲基化基因和差异表达基因。该研究为黄鳝性反转提供了表观遗传信息。爱基百客为其提供了全基因组甲基化测序（WGBS）技术。
黄鳝（Monopterus albus）是一种原始雌雄同体的合鳃鱼目物种，是中国最具经济价值的淡水鱼之一。黄鳝性别变化的研究，对于人工养殖、了解鱼类性别的决定和分化具有重要意义。本研究分析了黄鳝卵巢和睾丸的全基因组DNA甲基化和转录组。与卵巢相比，睾丸中基因组中的甲基化水平升高。与卵巢相比，睾丸中共有457个基因表达水平与DNA甲基化状态呈负相关。基于已报道的文献资料，作者筛选出16个参与性腺发育的DMEGs，分别采用BS-PCR和qRT-PCR进一步验证了dnmt3a、piwil1、tdrd1、sox30、nanos2、socs2、mei4和zmiz1的甲基化状态和表达水平。这些潜在基因有助于研究黄鳝性别逆转的分子机制。此外，DNA甲基化和转录组综合分析为黄鳝性逆转过程中的表观遗传调控提供了基本信息。
2. 基因组构建及多组学分析揭示了恩施碎米芥硒富集和硒耐受的分子机制研究材料：恩施碎米芥（硒胁迫：400μM硒处理24 h；硒富集：400 μM硒处理2周）2021年8月10日，恩施土家族苗族自治州中心医院、湖北硒与人体健康研究院黄楚鹰课题组在Cell Discovery （IF2022=38.079）上在线发表了题为“The Cardamine enshiensis genome reveals whole genome duplication and insight into selenium hyperaccumulation and tolerance”的研究论文。该研究作者构建了高质量的恩施碎米芥参考基因组，通过基因组、转录组、代谢组和表观组学多组学联合分析阐述了硒耐受和硒富集的分子机制。爱基百客为该研究提供ChIP-seq、WGBS的技术支持。
恩施碎米芥是一种比较知名的超级富硒植物。硒是一种与很多健康益处相关的必需微量元素。尽管恩施碎米芥具有非常重要的价值，但是有关其基因组信息仍然未见报道。本文中，作者报道了恩施碎米芥的染色体层级基因组组装，包含了16条染色体，大小约为443.4Mb，scaffold N50为24Mb。为了阐释恩施碎米芥的硒耐受性和超级富硒机制，作者综合分析了其基因组、转录组以及代谢组的多组学分析。结果发现，类黄酮、谷胱甘肽和木质素生物合成途径可能在保护恩施碎米芥免受硒胁迫的过程中发挥重要作用。
染色质互作模式的Hi-C分析显示，恩施碎米芥的染色质分隔成了A和B两个隔室，并且每个染色体的两个端粒之间的强相互作用与组蛋白修饰、表观标记、DNA甲基化和RNA丰度相关。硒处理能够在隔室层面上影响恩施碎米芥的3D染色质结构。硒处理后与具有隔室变化的基因主要参与了硒化合物的代谢，而在含有拓扑结构上绝缘结构域的区域中的基因则参与了细胞对硒的响应、硒结合以及类黄酮的生物合成。本文所报道的多组学研究为进一步理解恩施碎米芥的耐硒和超级富硒机制提供了分子视野。
3. SlJMJ7通过H3K4me3和dml2介导的DNA去甲基化调控番茄果实成熟2021年11月2日权威植物学杂志New Phytologist（IF2022=10.151）在线发表中国科学院华南植物园段学武研究员团队题为“SlJMJ7 orchestrates tomato fruit ripening via crosstalk between H3K4me3 and DML2-mediated DNA demethylation”的研究论文。该研究联合全基因组转录、结合位点、组蛋白H3K4me3和DNA甲基化分析证明SlJMJ7作为果实成熟的主要负调控因子，不仅通过直接去除多个关键成熟相关因子的H3K4me3，还通过组蛋白和DNA去甲基化之间的相互作用发挥作用。爱基百客为该研究提供WGBS的技术支持。
肉质果实的成熟是拟南芥和水稻所缺乏的独特的发育过程，这个过程是由激素和转录因子驱动的。然而，果实成熟的关键调控因子和早期调控因子仍然知之甚少。本文中揭示了一个H3K4去甲基酶SLJMJ7是番茄果实成熟的关键负调控因子。结合全基因组转录、结合位点、组蛋白H3K4me3和DNA甲基化分析表明，SlJMJ7通过H3K4me3去甲基化调控一组关键的成熟相关基因，包括乙烯生物合成(ACS2、ACS4和ACO6)、转录调控(RIN和NOR)和DNA去甲基化(DML2)基因。此外，SlJMJ7功能的丧失导致H3K4me3水平增加，H3K4me3直接激活成熟相关基因，并导致DML2介导的DNA低甲基化，间接促进成熟相关基因的表达。
总而言之，这些效应导致sljmj7突变体的果实加速成熟。本文的研究结果表明，SlJMJ7不仅通过直接从多种与成熟相关的关键因子中去除H3K4me3，而且通过组蛋白和DNA去甲基化之间的串扰，对果实成熟起主要的负调控作用。这些发现揭示了组蛋白甲基化和DNA甲基化之间调节植物发育过程中基因表达的新的串扰。WGBS技术是基于重亚硫酸盐的甲基化分析方法，首先通过重亚硫酸盐对样本DNA进行处理，将未甲基化的C碱基转化为U碱基，而甲基化的C碱基则不会改变，进行PCR扩增后U碱基会变成T，与原本甲基化的C碱基区分开，再结合高通量测序技术，可绘制单碱基分辨率的全基因组DNA甲基化图谱。
本期精选了3篇WGBS相关的客户文章，一方面帮助大家开阔科研思维，另外一方面向大家介绍爱基百客的项目经验。有相关项目需求的老师欢迎咨询我们。
