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一文了解表观基因组图谱
发布时间：2020-06-23 11:43 | 点击次数：
一、表观基因组图谱构建—后基因组时代研究重点
1953 年 4 月， Nature 杂志刊登了沃森和克里克的 DNA 双螺旋结构的分子模型，这一成果被誉为 20 世纪以来生物学方面最伟大的发现，标志着分子生物学的诞生。从此之后，随着科学技术的不断发展，人类对于生命的认知逐渐增加，尤其近五十年来，随着测序技术的不断发展，人类对于物种基因组的认知也越加透彻，从 2000 年 6 月人类基因组草图完成到 2003 年完成图的证实发表到如今 Hg3 基因组的逐渐完善，人类基因组信息日益精细，在人类基因组逐渐完善的过程中，从模式物种鼠、猴、拟南芥到如今家蚕、油柿等非常规物种的基因组也逐渐发布，可以说，物种基因组的逐渐完善为不同物种生命活动奠定了分子基础。
1953 年 4 月， Nature 杂志刊登了沃森和克里克的 DNA 双螺旋结构的分子模型，这一成果被誉为 20 世纪以来生物学方面最伟大的发现，标志着分子生物学的诞生。从此之后，随着科学技术的不断发展，人类对于生命的认知逐渐增加，尤其近五十年来，随着测序技术的不断发展，人类对于物种基因组的认知也越加透彻，从 2000 年 6 月人类基因组草图完成到 2003 年完成图的证实发表到如今 Hg3 基因组的逐渐完善，人类基因组信息日益精细，在人类基因组逐渐完善的过程中，从模式物种鼠、猴、拟南芥到如今家蚕、油柿等非常规物种的基因组也逐渐发布，可以说，物种基因组的逐渐完善为不同物种生命活动奠定了分子基础。
图 1：DNA 双螺旋结构与人类基因组计划
基因组学的主要任务是基因图谱进行构建，并最终获得完整的序列信息，那么这些序列信息的主要功能是什么则是后基因组时代的主要内容。现代遗传学认为基因决定了个体的差异，那么对于一个生物体内所有的细胞而言，基因组 DNA 序列是完全一致的，那么相同的基因组是如何造就不同的细胞类型呢？基因组信息如何指导空间和时间特异性基因表达？随着研究深入，越来越多的研究表明，基因的特异性表达通过一系列表观遗传标记与顺式调控元件互作来实现的。
表观遗传学（Epigenetics）由 Conrad Waddington 在 20 世纪 50 年代提出，随后逐步定义为研究在不改变 DNA 序列的情况下基因表达的稳定的、可遗传的变化的学科，表观遗传调控的基本机制包括 DNA 甲基化、组蛋白修饰和变异、染色质重塑和非编码 RNA（ncRNA）介导的基因表达调控。顺式作用元件指同一 DNA 分子中具有转录调节功能的特异 DNA 序列, 包括启动子、增强子等。在基因组信息日益完善的情况下，构建表观基因组图谱就愈发重要。
二、表观基因组图谱构建成果
2013 年 9 月 26 号，Cell 杂志刊发来自加州大学的著名华人科学家任兵（Bing Ren）教授题为「Mapping Human Epigenomes」的综述文章，详述了表观基因组绘图工具以及表观基因组图谱的重要意义，并探讨了表观基因组领域的发展及面临的挑战。
随后的时间，一些重要的成果相继发表，2014 年 8 月 28 日，Nature 同时发表了四篇文章，阐述了人类、果蝇、线虫的表观基因图谱，并将三者进行比较，发现了三个物种共有的基因表达模式，其中一些发育基因受到了关注。
而后一年，人类表观基因图谱结果重磅发布，2015 年 2 月 19 日，Nature 及其子刊同时在线发表了 24 篇文章，涉及上百种人类细胞和组织，构建了第一张表观基因组综合图谱，阐述了发育过程中转录因子的特性，不同细胞类型转录因子与顺式作用元件的互作以及组蛋白修饰、染色质互作等诸多表观遗传研究结果（该结果可以通过 Roadmap Epigenomics Program 网站在线查询）。
同年 6 月份，Nature 再次发文，阐述了 12 个人类主要器官的 DNA 甲基化差异，将 DNA 甲基化这一表观遗传元老级人物添加至表观图谱之中。
图 2：人类表观基因组图谱构建结果展示
植物表观基因图谱的研究也成果颇丰。2013 年 3 月 7 日，Joseph R. Ecker 教授在 Nature 发文，构建了 152 株拟南芥的全基因组甲基化图谱，研究人员发现 DMRs（差异甲基化区域）中超过 30% 直接与 DNA 序列突变位点有关。
2015 年，利物浦大学在 Genome Biology 上刊文，利用小麦单体型草图绘制了小麦 DNA 甲基化图谱。
四年后，2019 年 7 月 15 日，该杂志在线发表了普通小麦精细的表观组图谱，对全基因组顺式调控元件进行了系统的挖掘与鉴定，为小麦基因调控机制解析研究提供了重要资源。
除了 5mC 修饰类型外，DNA 6mA 修饰也是受到了关注，2018 年 8 月，水稻全基因组 6mA 图谱在 Nature Plant 发布，研究首次揭示水稻 DNA 的 6mA 修饰分布和生物学功能，为水稻等作物的 DNA 甲基化表观机制研究奠定了重要基础。
除此之外，2020 年 5 月 8 日，Nature Communications 在线发表了 20 个水稻品种的表观基因组图谱，对水稻的顺式作用元件进行了注释，为阐述水稻多维基因图谱以及基因转录调控机制提供了基础。
图 3：植物表观基因组图谱构建结果展示
三、表观基因组图谱构建主要内容
1、组蛋白修饰
组蛋白修饰 (histone modification) 是指组蛋白在相关酶作用下发生甲基化、乙酰化、磷酸化、腺苷酸化、泛素化、糖基化、乳酸化等修饰的过程。组蛋白本身具有较强保守性，不同修饰类型组蛋白具有不同的调控功能，主要包括了 H3K9me3、H3K27me3 等抑制性组蛋白修饰以及 H3K4me3、H3K36me3、H3K27ac、H3K9ac 等激活性修饰。除此之外 H3K9me3 等还在 DNA 的损伤修饰方面发挥重要功能。
在绘制组蛋白修饰表观遗传图谱方面，主要通过组蛋白修饰相关 ChIP-seq 技术手段，对不同材料之间组蛋白修饰位点以及类型进行鉴定，结合组蛋白修饰功能与调控基因组，阐述组蛋白修饰调控基因表达实现生命活动目的。
2、DNA 化学修饰
DNA 的化学修饰主要包括了 DNA 的 5mC、5 hmC、6mA 修饰类型，其中对于 5mC、5 hmC 修饰鉴定，常通过全基因组甲基化测序（WGBS）实现，而 6mA 检测，常通过 6mA-IP-seq（MeDIP-seq）完成。通过对全基因组范围内 DNA 甲基化的测定， 对甲基化位点以及发生机制进行相应研究，探究 DNA 化学修饰调控基因表达机制。
3、转录因子结合位点鉴定
转录因子 (transcription factor) 是指能与特定 DNA 序列专一性结合，从而保证目的基因以特定的强度在特定的时间与空间表达的蛋白质分子。转录因子发挥功能需要结合特定的 DNA 序列来实现调控基因的表达，细胞分化和组织形成过程中，转录因子的特异性表达与结合发挥了重要作用。因此对于转录因子不同结合位点的鉴定，对于阐述基因的时空表达特异性具有重要意义。
对于转录因子结合位点的鉴定通常通过转录因子的 ChIP-seq 实现，通过特异性抗体捕获目的转录因子，对于免疫共沉淀获得的 DNA 序列进行测序分析，从而得到全基因组范围内的结合位点。通过结合位点的差异分析，探究不同材料之间结合差异，解析材料特异性机制。
4、顺式作用元件--增强子鉴定
增强子是 DNA 上一小段可与蛋白质结合的区域，与蛋白质结合之后，基因的转录作用将会加强。增强子可能位于基因上游，也可能位于下游。且不一定接近所要作用的基因，甚至不一定与基因位于同一染色体。增强子具有一定的组织特异性与时空性，不同组织不同生命状态下，增强子具有一定的特异性，因此对于某一个生命过程中增强子的鉴定对于阐述该生命过程中的调控机理具有重要意义。
目前对增强子鉴定，主要采用染色质免疫共沉淀技术 (ChIP-seq) 针对活性增强子相关联的组蛋白修饰进行检测。通过对组蛋白 H3K27ac 、H3K9ac、H3K4me1、H3K4me3 修饰的鉴定，通过生信分析比对位置相关性，鉴定增强子。另外随着 ATAC-seq 等研究染色质开放性技术逐步成熟，将染色质开放区信息与组蛋白修饰进行联合分析，进一步鉴定增强子区域。
四、路漫漫其修远兮
表观基因组图谱的构建具有多样性和丰富性的特点，多样性主要体现在不同材料之间图谱的差异性，这也反应出表观遗传的差异赋予了材料的差异性。丰富性主要体现在表观基因组图谱构建内容的丰富性，可以针对不同的表观遗传修饰类型进行构建，这也体现了表观遗传调控机制的丰富性与复杂性，正是多因素的协调配合保证了生命活动的正常进行。在后基因组时代，对于不同物种而言，表观基因组图谱的构建在阐述生命调控机制方面具有重要的意义，而表观基因组遗产图谱的构建仍然是一项任重道远的研究工作。武汉爱基百客专注于表观基因组学技术服务，希望在这条研究路上与您携手并进。