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题目:炎症性肠病(IBD)肠黏膜细胞的DNA甲基化组反映内源和外源性因素

一、研究背景

已有在炎症性肠病(IBD)中发现异常DNA甲基化的报道。IBD作为一种复杂的疾病,受遗传和环境的双重影响,因此可认为DNA甲基化改变与遗传易感性变异和/或环境信号(如细胞因子)有关,并试图在本文中通过对IBD已发表的DNA甲基化数据和对照样本共同分析来探究上述推论。

二、研究流程

三、结果解析
1．DNA甲基化的全基因组变化是IBD的共同特征

为了确定与IBD相关的肠粘膜细胞的DNA甲基化变化,重新分析了来自不同数据集的甲基化数据。为提高覆盖率且兼顾数据协调性,仅将基于Illumina两个版本的芯片的数据纳入研究,这些数据集的样本包括儿童和成人,男性和女性IBD患者,并涉及IBD两种主要的疾病(克罗恩病和溃疡性结肠炎)。

使用线性模型分析了392810个CpG位点的DNA甲基化与IBD之间的关系。在模型中,对性别、年龄等变量进行了矫正,并使用甲基化平均变化≥10%和FDR校正p<0．05作为筛选标准得到了4205个差异甲基化位点(DMP)(图1a)。DMP在不同类型IBD和正常对照的甲基化情况展示于图1b,DMP甲基化水平热图与其他信息展示于图1c,热图中可发现差异甲基化位点在多个数据集中都稳健存在。

图1a．IBD肠粘膜细胞与对照组的差异甲基化位点Top6;图1b．Top6的差异甲基化位点在CD、UC以及对照组中的甲基化情况

图1c．差异甲基化位点甲基化水平热图以及相关信息

分析发现DMP存在一个甲基化位点关系密切的子集,说明其中的位点存在非随机的关联。为探索这一结果,通过分析识别出55个差异甲基化区域(DMR,可包括多个DMP)。与预期一致,这些区域中许多对应基因座的位点也能通过探针水平的识别策略(用以识别DMP)识别出(图2b)。

此外,因为DMP和DMR与疾病和癌症易感性有关,在相同的数据集中使用了iEVORA算法识别差异可变甲基化CpG位点(DVMC),鉴定出4532个DVMC(图2a),其中大多数位于已知的启动子附近(80%,转录起始位点的2kB内)。值得注意的是,这些位点大部分(75%)在IBD样本显示出比对照组更高的异质性,且半数以上的IBD标本甲基化程度低于对照组(63%)。

综合上述发现,可认为IBD的肠粘膜表现出巨大的非随机的甲基化组层面的异常,其中甲基化位点具有高变异性,但也存在特定位点平均DNA甲基化水平的稳定变化。

图2a．IBD肠粘膜细胞与对照组的Top6 DVMC

图2b．DMP、DMR以及DVMC三者的重叠情况

2．IBD相关DNA甲基化改变的基因组和生物学背景

接下来基于基因和CpG岛(CGI)进行了分析,评估了IBD和对照组差异DMP的基因组分布,发现在CGI、基因启动子和转录起始点(TSS)区域DMP相对较少(图3a-c),而DMP高度集中在非CGI区域(即open sea区域)(图3a)。基于DMR的通路分析提示其与代谢和信号转导相关的通路存在联系,包括脂肪生成、止血、G蛋白α亚基信号传导、癌症通路和TGF-β受体信号传导。

总的来说,IBD中异常的甲基化在CGI层面相对缺少,甲基化改变与炎症相关途径关系密切。这种细胞因子的信号可能在下游发生。或者,它们可能代表与遗传易感性相关的早期变化。

图3a．DMP与CGI位置关系的分布情况;图3b．DMP在基因中的位置分布情况;图3c．DMP与TSS区域的距离分布情况

3．IBD-DMP与IBD风险SNP位点及mQTL的关系

DNA甲基化可能是基因型与疾病易感性之间的桥梁,在特定的基因组背景下,这种对DNA甲基化的遗传影响被称为甲基化数量性状位点(mQTL)。在具有显著遗传关联的差异甲基化基因中,发现存在JAK3、KRT8和HLA基因,与早前研究的结果可以相互印证。此外,一些DMP显示出DNA甲基化分布的“双峰”,排除了技术错误后,可认为这种双峰分布可能表明它们的甲基化水平与基因型有直接关系。为了探索基因型与甲基化的关联,计算了在分析中确定的DMP与已知的IBD风险相关单核苷多态性(SNP)位点之间的遗传距离。在独立比较高甲基化和低甲基化DMP后,发现DMP总体上与已知的IBD风险SNP位点非常接近(图4)。

还探究了参与血液mQTL的IBD-DMP和CpG位点之间的重叠情况。虽然富集并不显著,但4205个DMP中还是有544个与先前报告的52916个mQTL重合。为了探究上述发现的DMP相关的SNP位点是否也与IBD相关,查询了迄今为止对该病进行的最大规模的精细定位研究,发现在544个mQTL中,有4个为IBD相关的SNP位点(rs11264305、rs17228058、rs3806308和rs3807306),分别位于ADAM15、SMAD3、RNF186和IRF5附近。上述发现表明至少有部分IBD异常甲基化与上游调控的遗传易感性变异有直接关系。

图4．DMP与已知的IBD风险相关SNP位点之间的基因组距离

4．IBD与腹腔十二指肠上皮细胞和免疫细胞共有部分DMP

由于IBD甲基化组既与炎症有关,又与遗传易感性有关,因此认为它也可能具有一定的普遍性。因此,选择了乳糜泻(CeD)——一种具有良好遗传特性的胃肠道慢性炎症疾病作为参考,以进一步深入了解甲基组的特异性。分别分析了CeD中上皮和免疫组分的DNA甲基化数据。当将IBD-DMP与上皮性CeD-DMP合并分析后,发现在4205个IBD-DMP和43个上皮组分CeD-DMP中,有8个是重合且常见的,其中5个DMP定位在6号染色体的HLA区域。另一方面,31个IBD-DMP与310个免疫组分CeD-DMP共有TGF-β信号通路(WikiPathways,调整后p=0．04419)。两种疾病中所有常见的DMP都遵循相同的甲基化变化方向(都低或高甲基化),但CeD中甲基化倍数的变化更大,可能是因为在分离的细胞群中存在其它组织而模糊了细胞特异性信号。

基于此,可认为与IBD和CeD相关的DNA甲基化改变有明显的重叠,其中包括与免疫密切相关的HLA区域。

小结

本篇学习笔记选择了一种被证实与遗传和环境都相关的疾病——IBD,通过筛选DMP、DMR和DVMC并探讨它们在染色体中的位置以及与基因的关系发现了IBD表观遗传学上的某些特性。这样的思路的成功之处可能在于选题较为新颖,但也需要承认研究中发现的IBD甲基化特征可能与一般肠炎更为接近,需要通过进一步的研究来完善。