易基因｜3文聚焦：DNA甲基化在动物育种中的作用研究成果（家蚕+绵羊+肉鸡）

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多项研究表明，DNA甲基化对动物的生长发育、疾病抗性、繁殖性能起到了重要的调控作用。近年来，DNA甲基化在动物育种领域的研究进展极为迅速。本期我们对3篇DNA甲基化在家蚕、羊和鸡等动物育种领域的研究成果进行解读，并对DNA甲基化在动物育种中的作用研究套路进行总结，一起看看吧。

1. 家蚕育种

标题：Comparative genome-wide DNA methylation analysis reveals epigenomic differences in response to heat-humidity stress in Bombyx mori.

期刊：Int J Biol Macromol.

影响因子: 6.953

发表时间：2020.12.01

技术平台：WGBS、组学联合分析

摘要：

DNA甲基化是一种与非生物胁迫反应有关的表观遗传修饰。但关于昆虫对环境信号反应的DNA甲基化研究很少。本研究作者通过全基因组重亚硫酸盐测序（WGBS）对两个显著不同耐热和耐湿品系的家蚕DNA甲基化图谱进行比较分析。在CG环境中共鉴定出RT_48h（高温/高湿处理48h的抗性菌株）和ST_48h（高温/高湿处理48h的敏感菌株）之间2934个差异甲基化区域（DMRs），对应1230个DMR相关基因（DMGs）。DMR主要位于基因组区域（外显子和内含子）。GO和KEGG分析表明，DMG在细胞结合、代谢过程中与RNA转录通路富集。此外，有10个DMG参与家蚕的湿热应激反应。本研究结果表明，DNA甲基化在家蚕对环境胁迫的反应中起着至关重要的作用，并为鉴定高温/高湿胁迫下家蚕的关键抗性基因提供重要证据。

实验和流程设计

两个品系：耐热蚕品系7532 vs 敏感品系Knobbed

处理：正常环境 vs 高热高湿

时间序列：24h vs 48h

结果：

（1）甲基化谱的相关性分析和聚类分析

Figure 1：

（A）样本DNA甲基化图谱的相关性分析（WGBS）

（B）样本DNA甲基化图谱的聚类分析

（2）DNA甲基化在不同功能元件上的分布

Figure 2：

（A）基因元件和重复元件的DNA甲基化水平组间差异（CpG）

（B）基因及附近元件的DNA甲基化水平组间差异（CpG）

（3）DMR分析

Figure 3：

（A）DMR鉴定（耐 vs. 不耐）

（B）DMR在各类基因元件上的分布

（4）DMG的GO和KEGG分析

Figure 4：

（A）DMG GO功能富集分析（耐 vs. 不耐）

（B）DMG KEGG通路富集分析

（5）DMG和DEG的重叠分析

Figure 5：

DMR与DMG关联分析

关键基因筛选

2、绵羊育种

标题：Integrative Genome-Wide DNA Methylome and Transcriptome Analysis of Ovaries from Hu Sheep with High and Low Prolific

期刊：Front Cell Dev Biol

影响因子: 5.201

发表时间：2022.02.03

技术平台：WGBS、RNA-seq、多组学关联分析

摘要：

DNA甲基化通过影响基因表达在生物过程中发挥重要作用，但DNA甲基化如何调控湖羊（绵羊的一种）的表型变异仍不清楚。本研究作者通过WGBS和RNA-seq在不同繁殖力和基因型（FecBB和FecB+）的湖羊卵巢中绘制全基因组DNA甲基化和转录组图谱。结果发现高产和低产湖羊卵巢DNA甲基化和转录组水平存在显著差异。比较甲基组分析分别鉴定出10644、9594和12214个差异甲基化区域（DMRs）以及87、1121和2375个基因，显示三个不同对照组的差异表达水平。将雌性繁殖相关的DMR相关基因和差异表达基因进行富集，系统整合分析揭示转录起始位点周围DNA甲基化水平与基因表达水平负相关，且这一结果在体内和体外检测ITGB2和LAPTM4B表达中得到证实。总之，结果表明，DNA甲基化通过影响卵巢的基因表达来影响繁殖力，这可能有助于更好通过了解表观基因组和转录组变化来提高动物育种。

实验设计：

三组：9只母羊，分为HPBB（n=3），LPBB（n=3）和LPB+（n=3）组

处理：所有母羊在发情期间被屠宰，立即收集卵巢样本并储存在-80°C下，用于WGBS和RNA-seq。

结果：

Figure 1：HPBB、LPBB、LPB+三组湖羊卵巢的DNA甲基化水平和分布

Figure 2：HPBB、LPBB、LPB+的DMR

Figure 3：HPBB、LPBB、LPB+的DMG

Figure 4：DE mRNA鉴定

Figure 6：母羊繁殖相关的DMG和DEG网络

Figure 7：HPBB、LPBB、LPB+不同组卵巢DNA甲基组和转录组综合分析

Figure 8：ITGB2和LAPTM4B甲基化和表达水平综合分析

3、肉鸡育种

标题：Genome-Wide Assessment of DNA Methylation in Chicken Cardiac Tissue Exposed to Different Incubation Temperatures and CO2 Levels

期刊：Front Genet

影响因子: 4.599

发表时间：2020.10.28

技术平台： RRBS

摘要：

孵化过程中的温度和CO2浓度对肉鸡的发育有着深远的影响。此前许多研究发现这些参数的差异对孵化心重 (heart weight，HW) 有显著影响。早期生活环境也被证明会影响肉鸡后期的生产性能，因此表观遗传机制可能介导环境刺激引起的长期生理变化。作者利用RRBS技术评估84只在两种不同蛋壳温度（egg shell temperature，EST；37.8℃和38.9℃）和三种CO2浓度（0.1%、0.4%和0.8%）下孵化的肉鸡幼体心脏组织的DNA甲基化模式，并进行差异甲基化分析。

研究结果验证了ABLIM2、PITX2和THRSP三个基因的甲基化和表达的协调变化，确定孵化后小鸡心脏的差异甲基化模式与孵化EST和CO2的差异有关，并且这种差异可能通过转录因子结合和基因表达的变化影响心脏的生长和发育。此外，本研究还鉴定了负责调节体温的其他器官（包括下丘脑和甲状腺）的表观遗传模式可能有助于表征调节心脏发育的温度驱动差异机制。总之，对早期生活环境影响的表观遗传特征了解可以作为未来动物表现预测因子，从而有利于动物育种。

实验设计：

环境：EST（37.8℃ vs 38.9℃）和CO2浓度（0.1%、0.4%、0.8%）

处理：孵化后6小时将小鸡处死，取左心室心脏样本。EST- CO2每组13-15个样本-20°C储存，用于DNA分离和RRBS分析

时间序列：第0天到第8天，所有鸡蛋都在37.8°C温度和0.1% CO2浓度的环境中孵化。第8天分成两个EST（37.8°C和38.9°C）和三个CO2浓度（0.1%、0.4%和0.8% CO2），直至孵化。

结果：

Figure 1：心重降低与EST升高相关

TABLE 1：RRBS绘制DNA甲基化图谱

Figure 2：不同孵化EST的CpG差异甲基化火山图

Figure 3：曼哈顿曲线图

Figure 4：不同温度处理，七个表达基因差异甲基化，两个稳定甲基化基因转录本丰度变化

易基因小结：DNA甲基化在动物育种中的作用研究套路

DNA甲基化在动物育种中的作用研究一般遵循三个步骤进行数据挖掘。首先，进行整体全基因组甲基化变化的分析（WGBS、RRBS等方式），包括平均甲基化水平变化、甲基化水平分布变化、降维分析、聚类分析、相关性分析等。其次，进行甲基化差异水平分析，筛选具体差异基因，包括DMC/DMR/DMG鉴定、DMC/DMR在基因组元件上的分布、DMC/DMR的TF结合分析、时序甲基化数据的分析策略、DMG的功能分析等。最后，将甲基化组学&转录组学关联分析，包括Meta genes整体关联、DMG-DEG对应关联、网络关联等。

参考文献：

http://doi.org/10.3389/fgene.2020.558189

http://doi.org/10.3389/fcell.2022.820558

http://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.08.251

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