最全面的人类器官表观基因组图谱

来自Salk研究所的科学家们报告称,他们构建出了来自个体捐赠者(包括女人、男人和孩子)十多种不同人类器官最全面的表观基因组图谱。尽管甲基化不会改变个体的遗传序列,越来越多的研究证实它对发育和健康具有重大的影响。

多年来,科学家们成功获得了人类基因组的工作图——编码人类生命的完整DNA序列图像。而现在他们仍然在往这一图集添加新页面——散布在DNA链上,影响了基因抑制的化学标记物——甲基的图谱。

来 自Salk研究所的科学家们报告称,他们构建出了来自个体捐赠者(包括女人、男人和孩子)十多种不同人类器官最全面的表观基因组图谱。尽管甲基化不会改变 个体的遗传序列,越来越多的研究证实它对发育和健康具有重大的影响。新数据发表在6月1日的《自然》(Nature)杂志上。

论 文的资深作者、Salk研究所基因组分析实验室主任及教授、干细胞基因组学卓越中心联合主任Joseph R. Ecker说:“我们发现并非所有的调查器官都具有相同的甲基化模式。一些器官之间的甲基化标记有着明显的差异,以致我们查看某一组织的甲基化,就可以知 道这一组织是肌肉、胸腺或是胰腺。”

尽管个体的基因组在每个细胞中都是一样的,表观基因组却存在差异,它们与任何特定时间细胞实际利用的基因密切相关。一些甲基化标记可帮助血细胞忽视掉脑细胞或肝细胞必需的一些基因。并且它们可以随时间发生改变——例如,个体年龄、饮食或环境变化都可以影响甲基化。

Ecker说:“我们想对表观基因组,尤其是甲基化在正常人类器官中的情况做个基线评估。”为此,科学家们收集了来自4名个体18个器官的细胞,绘制出了它们的甲基化图谱。

如预期的那样,这些模式与已知对细胞功能极其重要的基因相一致——例如在收集的肌肉细胞中一些肌肉基因附近较少甲基化。而这一新图谱的其他一些方面则令人感到惊讶。研究人员检测到了过去认为只在脑细胞和干细胞中广泛分布的一种不同寻常的甲基化形式——非CG甲基化。

论 文的第一作者、Ecker实验室前研究生Matthew Schultz说:“此前只在脑细胞、骨骼肌细胞、生殖细胞和干细胞中看到过这种甲基化形式。因此,看到它存在于各种正常成人组织中真令人感到兴奋。”研 究人员还不知道非CG甲基化在成人体内的功能,他们猜测它可能表明了存在于成体组织中的干细胞群。

研究小组在他们的工作中还 获得了其他的一些惊喜,指出了一些新的探索途径。例如,他们发现许多显示动态甲基化的区域并未如预期那样定位在启动子中和启动子上游的调控区域。 Ecker说:“过去人们真的认为,一切都发生在启动子或它的上游区域。但我们发现一些与基因转录最相关的甲基化改变,往往存在于启动子的下游区域。”这 些观察结果有可能在研究人员调查个别基因的调控机制时影响他们搜寻甲基化的方式和位点。

另一个惊人的发现是,一些器官彼此之间在全基因组甲基化程度上存在广泛差异。胰腺的甲基化水平异常的低,而胸腺则呈高水平甲基化。研究人员还不知道其原因为何。

新研究结果还只是触及了表面,尚未全面了解DNA的甲基化模式——还有数十个器官有待去分析,对于是什么塑造和改变了表观基因组还有许多的未知之处,在单个器官中不同的细胞甲基化模式是否存在差异仍是一个问题。

论文的共同第一作者、Ecker实验室研究生Yupeng He说:“接下来要做的一件有趣的事情就是要分离出不同的细胞类型。我们拥有的样本是许多细胞的异质性混合物。”

研究人员希望这些研究结果可以提供一个起点,来开始认识一些疾病如何体现于表观基因组改变之中的。

“你可以想象,最终如果有人的身体存在某种问题,活检或许不仅可以查看细胞或基因的特征,也可以揭示出表观基因组的特征,”Ecker说。

Human body epigenome maps reveal noncanonical DNA methylation variation

Understanding the diversity of human tissues is fundamental to disease and requires linking genetic information, which is identical in most of an individual’s cells, with epigenetic mechanisms that could have tissue-specific roles. Surveys of DNA methylation in human tissues have established a complex landscape including both tissue-specific and invariant methylation patterns1, 2. Here we report high coverage methylomes that catalogue cytosine methylation in all contexts for the major human organ systems, integrated with matched transcriptomes and genomic sequence. By combining these diverse data types with each individuals’ phased genome3, we identified widespread tissue-specific differential CG methylation (mCG), partially methylated domains, allele-specific methylation and transcription, and the unexpected presence of non-CG methylation (mCH) in almost all human tissues. mCH correlated with tissue-specific functions, and using this mark, we made novel predictions of genes that escape X-chromosome inactivation in specific tissues. Overall, DNA methylation in several genomic contexts varies substantially among human tissues.

The methylomes and transcriptomes of human tissues.

DNA methylation and its relationship with gene expression.