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題目:炎癥性腸病(IBD)腸黏膜細胞的DNA甲基化組反映內源和外源性因素

一、研究背景

已有在炎癥性腸病(IBD)中發(fā)現異常DNA甲基化的報道。IBD作為一種復雜的疾病,受遺傳和環(huán)境的雙重影響,因此可認為DNA甲基化改變與遺傳易感性變異和/或環(huán)境信號(如細胞因子)有關,并試圖在本文中通過對IBD已發(fā)表的DNA甲基化數據和對照樣本共同分析來探究上述推論。

二、研究流程

三、結果解析
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相關的腸粘膜細胞的DNA甲基化變化,重新分析了來自不同數據集的甲基化數據。為提高覆蓋率且兼顧數據協(xié)調性,僅將基于Illumina兩個版本的芯片的數據納入研究,這些數據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腸炎)。

使用線性模型分析了392810個CpG位點的DNA甲基化與IBD之間的關系。在模型中,對性別、年齡等變量進行了矯正,并使用甲基化平均變化≥10%和FDR校正p<0．05作為篩選標準得到了4205個差異甲基化位點(DMP)(圖1a)。DMP在不同類型IBD和正常對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)現差異甲基化位點在多個數據集中都穩(wěn)健存在。

圖1a．IBD腸粘膜細胞與對照組的差異甲基化位點Top6;圖1b．Top6的差異甲基化位點在CD、UC以及對照組中的甲基化情況

圖1c．差異甲基化位點甲基化水平熱圖以及相關信息

分析發(fā)現DMP存在一個甲基化位點關系密切的子集,說明其中的位點存在非隨機的關聯。為探索這一結果,通過分析識別出55個差異甲基化區(qū)域(DMR,可包括多個DMP)。與預期一致,這些區(qū)域中許多對應基因座的位點也能通過探針水平的識別策略(用以識別DMP)識別出(圖2b)。

此外,因為DMP和DMR與疾病和癌癥易感性有關,在相同的數據集中使用了iEVORA算法識別差異可變甲基化CpG位點(DVMC),鑒定出4532個DVMC(圖2a),其中大多數位于已知的啟動子附近(80%,轉錄起始位點的2kB內)。值得注意的是,這些位點大部分(75%)在IBD樣本顯示出比對照組更高的異質性,且半數以上的IBD標本甲基化程度低于對照組(63%)。

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

圖2a．IBD腸粘膜細胞與對照組的Top6 DVMC

圖2b．DMP、DMR以及DVMC三者的重疊情況

2．IBD相關DNA甲基化改變的基因組和生物學背景

接下來基于基因和CpG島(CGI)進行了分析,評估了IBD和對照組差異DMP的基因組分布,發(fā)現在CGI、基因啟動子和轉錄起始點(TSS)區(qū)域DMP相對較少(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轉導相關的通路存在聯系,包括脂肪生成、止血、G蛋白α亞基信號傳導、癌癥通路和TGF-β受體信號傳導。

總的來說,IBD中異常的甲基化在CGI層面相對缺少,甲基化改變與炎癥相關途徑關系密切。這種細胞因子的信號可能在下游發(fā)生�；蛘�,它們可能代表與遺傳易感性相關的早期變化。

圖3a．DMP與CGI位置關系的分布情況;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風險SNP位點及mQTL的關系

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DNA甲基化的遺傳影響被稱為甲基化數量性狀位點(mQTL)。在具有顯著遺傳關聯的差異甲基化基因中,發(fā)現存在JAK3、KRT8和HLA基因,與早前研究的結果可以相互印證。此外,一些DMP顯示出DNA甲基化分布的“雙峰”,排除了技術錯誤后,可認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系。為了探索基因型與甲基化的關聯,計算了在分析中確定的DMP與已知的IBD風險相關單核苷多態(tài)性(SNP)位點之間的遺傳距離。在獨立比較高甲基化和低甲基化DMP后,發(fā)現DMP總體上與已知的IBD風險SNP位點非常接近(圖4)。

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

圖4．DMP與已知的IBD風險相關SNP位點之間的基因組距離

4．IBD與腹腔十二指腸上皮細胞和免疫細胞共有部分DMP

由于IBD甲基化組既與炎癥有關,又與遺傳易感性有關,因此認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甲基化數據。當將IBD-DMP與上皮性CeD-DMP合并分析后,發(fā)現在4205個IBD-DMP和43個上皮組分CeD-DMP中,有8個是重合且常見的,其中5個DMP定位在6號染色體的HLA區(qū)域。另一方面,31個IBD-DMP與310個免疫組分CeD-DMP共有TGF-β信號通路(WikiPathways,調整后p=0．04419)。兩種疾病中所有常見的DMP都遵循相同的甲基化變化方向(都低或高甲基化),但CeD中甲基化倍數的變化更大,可能是因為在分離的細胞群中存在其它組織而模糊了細胞特異性信號。

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

小結

本篇學習筆記選擇了一種被證實與遺傳和環(huán)境都相關的疾病——IBD,通過篩選DMP、DMR和DVMC并探討它們在染色體中的位置以及與基因的關系發(fā)現了IBD表觀遺傳學上的某些特性。這樣的思路的成功之處可能在于選題較為新穎,但也需要承認研究中發(fā)現的IBD甲基化特征可能與一般腸炎更為接近,需要通過進一步的研究來完善。