Genome Biology：腸道微生物+宿主甲基化測序+宿主轉(zhuǎn)錄組測序的聯(lián)合應(yīng)用

發(fā)稿時間：2018-07-30來源：天昊生物

英文題目： Exposure to the gut microbiota drives distinct methylome and transcriptome changes in intestinal epithelial cells during postnatal development

中文題目：腸道微生物在出生后發(fā)育過程中驅(qū)動腸上皮細(xì)胞明顯的甲基化和轉(zhuǎn)錄組改變

發(fā)表雜志：Genome Medicine

影響因子：8.89

發(fā)表時間：2018   

背景：表觀遺傳過程和腸道微生物的相互作用可能在腸道發(fā)育與穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用。以前的研究已經(jīng)證實，微生物在成年宿主中調(diào)節(jié)了大量的腸上皮細(xì)胞基因的轉(zhuǎn)錄，但在出生后早期發(fā)育過程中，微生物對DNA甲基化和基因表達(dá)的影響尚不清楚。

方法：從5只1周（嬰兒）、4周（幼年）、12-16周（成年）小鼠的小腸中收集腸上皮細(xì)胞，它們分別是在無菌和有菌條件下進行喂養(yǎng)，分別對這些成對樣本進行DNA甲基化譜（RRBS）和上皮轉(zhuǎn)錄組測序（RNA-Seq），分析微生物群、基因表達(dá)和DNA甲基化之間的聯(lián)系。

圖1實驗設(shè)計。小鼠在常規(guī)條件(CONV-R)或無菌條件（GF）生長，然后在三個發(fā)育階段：1周、4周和12-16周處死小鼠，收集遠(yuǎn)端小腸的腸上皮細(xì)胞（IEC），分離DNA和RNA，分別用RNA-seq和RRBS分析基因表達(dá)和DNA甲基化。

結(jié)果：

• 微生物依賴和微生物非依賴過程能共同作用于出生后發(fā)育過程中的腸上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和DNA甲基化特征。
• 細(xì)菌對轉(zhuǎn)錄組的影響隨著時間的推移而增加，而大多數(shù)依賴微生物的DNA甲基化差異在出生后早期就可以檢測到。

圖2在出生后發(fā)育過程中微生物對宿主上皮轉(zhuǎn)錄組的效應(yīng)。A. 主成分分析顯示所有樣本中的總體基因表達(dá)譜。第一維度解釋了63%的變異，能將1周（W1）老鼠和其他兩個階段分開。第二維度解釋了8%變異，能將W4老鼠與W12／16老鼠分開，并將無菌和有菌條件培養(yǎng)的老鼠分開。B. 無菌和有菌條件培養(yǎng)的差異基因主要富集在15個轉(zhuǎn)錄因子。C. 微生物調(diào)控基因的聚類分析確定了12組具有特定表達(dá)譜的組分。

圖4出生后發(fā)育過程和微生物對DNA甲基化譜的影響。A. 主成分分析顯示所有樣本中的總體DNA甲基化譜。B. 在三個發(fā)育階段，韋恩圖顯示了無菌和有菌條件之間差異甲基化位點的數(shù)目。需要注意W1周差異甲基化位點數(shù)目較大。C. 無菌和有菌條件之間差異甲基化位點中高甲基化和低甲基化的位點數(shù)。D. 分別在從頭甲基化和去甲基化過程中起作用的Dnmt3a和Tet3基因的表達(dá)。E. 無菌和有菌條件之間差異甲基化位點的聚類分析。每一行表示一個CpG位點，顏色代表甲基化水平。

• 對微生物響應(yīng)的轉(zhuǎn)錄過程主要屬于出生后發(fā)育過程中的階段特異性細(xì)胞程序和參與免疫途徑和代謝過程的相關(guān)調(diào)控基因。

圖3微生物在出生后發(fā)育過程中調(diào)節(jié)不同的功能表達(dá)節(jié)點。每個點代表一個基因，顏色（紅色＝上調(diào)，藍(lán)色＝下降）表示其與平均基因表達(dá)水平的比值。列出的GO代表了該基因群的主要生物學(xué)功能。

• 甲基化和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的整合分析確定了126個基因組位點，這些位點的DNA甲基化和RNA轉(zhuǎn)錄組的差異化主要與腸道微生物群的存在與否相關(guān)。

圖5微生物可通過DNA甲基化調(diào)節(jié)宿主基因表達(dá)。 A.分析流程。每一個微生物調(diào)控基因的上下游5-kb窗口被用于CpG篩選。接下來，確定CpG區(qū)域，尋找差異甲基化位點(CONV-R vs GF)，并對所有差異甲基化CpG位點的P值進行校正。B. 在出生后發(fā)育過程中微生物對CAMK2B基因表達(dá)和DNA甲基化的影響。C. 依賴于微生物和出生后發(fā)育過程的所有甲基化-轉(zhuǎn)錄相互作用的基因組圖譜。外圈中的框描繪了小鼠染色體，其條帶表明基因組內(nèi)的染色特性（黑色=異染色質(zhì)區(qū)，白色=常染色質(zhì)區(qū)，灰色＝中間）。內(nèi)圈中的框代表差異表達(dá)和甲基化的基因?；蛎Q根據(jù)CONV-R vs GF比較的表達(dá)差異著色（紅色＝上調(diào)，藍(lán)色＝下調(diào)）?？蛑珜?yīng)于發(fā)育階段（紅色= W1，綠色＝W4，藍(lán)色＝W12／16）。盒的寬度指示基因長度，而在CONV-R vs GF比較中的甲基化差異程度隨著框的高度縮放?；蚩蛑械募t色和藍(lán)色點分別代表CpG位點甲基化的高低。

圖6 甲基化和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的整合分析確定了126個基因組位點，這些位點的DNA甲基化和RNA轉(zhuǎn)錄組的差異化主要與腸道微生物群的存在與否相關(guān)。網(wǎng)絡(luò)分析基于出生后三個發(fā)展階段中CONV-R vs GF比較得到的差異甲基化和差異表達(dá)基因，置信度大于0.6。較大的藍(lán)圓表示從分析中識別出的候選基因，較小的黑圈表示相互作用的基因。

• 在一個獨立的小鼠隊列中驗證了一組差異表達(dá)和差異甲基化的基因集，表明存在依賴于微生物的“功能性”甲基化位點，這些位點可能影響腸上皮細(xì)胞的部分基因表達(dá)特征。

結(jié)論：

• 本研究第一次從基因組范圍內(nèi)調(diào)查了出生后腸上皮細(xì)胞中微生物對DNA甲基化和轉(zhuǎn)錄過程的影響。結(jié)果表明腸道微生物在出生后發(fā)育過程中動態(tài)調(diào)節(jié)大部分上皮細(xì)胞基因的轉(zhuǎn)錄水平，但通過這些基因的DNA甲基化狀態(tài)只靶向調(diào)控一小部分微生物應(yīng)答基因。