ChIP-seq等組學(xué)分析揭示豬肝臟組織的H3K27ac狀態(tài)和基因表達(dá)遺傳調(diào)控
遺傳變異可以通過改變調(diào)控元件來改變基因表達(dá)，從而影響復(fù)雜性狀。然而，影響豬調(diào)控元件活性的遺傳變異很大程度上未知，這些變異在多大程度上影響基因表達(dá)和助力理解復(fù)雜表型仍不清楚。
2024年3月29日，江西農(nóng)業(yè)大學(xué)黃路生院士團(tuán)隊(duì)利用292只豬肝臟的組蛋白H3第27位賴氨酸乙酰化（H3K27ac）的ChIP-seq數(shù)據(jù)注釋了90991個(gè)高質(zhì)量調(diào)控元件。結(jié)合基因組重測(cè)序和RNA-seq數(shù)據(jù)，共鑒定出28425個(gè)H3K27ac數(shù)量性狀位點(diǎn)（acQTL）和12250個(gè)表達(dá)數(shù)量性狀位點(diǎn)（eQTL）。通過等位基因不平衡分析在獨(dú)立數(shù)據(jù)集中驗(yàn)證了兩個(gè)因果性acQTL變異。研究觀察到基因表達(dá)和H3K27ac之間存在大量共有遺傳調(diào)控，尤其是在啟動(dòng)子區(qū)域。研究人員推斷46%的H3K27ac與基因表達(dá)表現(xiàn)出伴隨關(guān)系而非因果關(guān)系。通過整合GWAS、eQTL、acQTL和轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合預(yù)測(cè)，進(jìn)一步證明了它們通過代謝物dulcitol、磷脂酰膽堿（PC）（16:0/16:0）和已發(fā)表的表型，在鑒定可能的因果變異和基因以及發(fā)現(xiàn)亞閾值GWAS位點(diǎn)方面的應(yīng)用。研究深入了解調(diào)控元件與基因表達(dá)之間的關(guān)系，以及剖析表型分子機(jī)制的遺傳基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果以“Omics-based construction of regulatory variants can be applied to help decipher pig liver-related traits”為題發(fā)表在《Commun Biology》期刊上。
研究思路
結(jié)果圖形
（1）調(diào)控元件的描述和注釋
通過染色質(zhì)免疫沉淀測(cè)序（ChIP-seq）技術(shù)獲得了豬肝臟中H3K27ac的分布情況。將reads比對(duì)到豬的參考基因組（Sscrofa 11.1）。通過peaks鑒定和過濾程序，確定了每個(gè)樣本中平均77947個(gè)H3K27ac峰值。所有峰值進(jìn)一步合并成至少在三個(gè)樣本中出現(xiàn)的90991個(gè)共有峰值。在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（TSS）1 kb范圍內(nèi)的共有峰值定義為啟動(dòng)子（16544個(gè)），其他的被定義為增強(qiáng)子（74447個(gè)）。41%的H3K27ac峰值位于內(nèi)含子中，其中近三分之一是第一個(gè)內(nèi)含子。23%和18%的峰值分布在遠(yuǎn)端間基因區(qū)域和啟動(dòng)子區(qū)域。近一半的峰值位于TSS附近10~100 kb范圍內(nèi)。通過與之前研究中的H3K27ac峰值比較，驗(yàn)證了這些峰值的真實(shí)性。結(jié)果顯示本研究中的30169個(gè)H3K27ac峰值覆蓋了Kern等人研究中98.6%的峰值。此外，研究者還分析了每個(gè)共有峰值的出現(xiàn)百分比與其豐度（以FPM衡量）之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)峰值的出現(xiàn)百分比與其豐度顯著正相關(guān)。同時(shí)還鑒定了調(diào)控可能決定細(xì)胞和組織身份的基因中起重要作用的超增強(qiáng)子。本研究中每個(gè)樣本平均鑒定了1090個(gè)超級(jí)增強(qiáng)子，覆蓋寬度平均為47.2 kb。
圖1：H3K27ac的綜合分析。
a. H3K27ac峰寬分布：H3K27ac峰的平均寬度為691 bp。紅色虛線表示平均值。
b. H3K27ac共有峰：共有峰分為啟動(dòng)子或增強(qiáng)子。啟動(dòng)子位于基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近，增強(qiáng)子位于基因內(nèi)部或遠(yuǎn)端調(diào)控區(qū)域。
c. 共有峰豐度與百分比相關(guān)性：共有峰的平均每M片段數(shù)（FPM，類似于RNA中的TPM）與其在個(gè)體中出現(xiàn)的百分比之間的相關(guān)性。每個(gè)峰用一個(gè)藍(lán)色點(diǎn)表示，紅色實(shí)線為點(diǎn)的擬合。右上角的圖表通過平均值±3倍標(biāo)準(zhǔn)差（sd）去除了異常值。相關(guān)性和顯著性通過斯皮爾曼相關(guān)性計(jì)算。
d. 增強(qiáng)子或啟動(dòng)子的比例變化：隨著共有峰出現(xiàn)的百分比變化，增強(qiáng)子或啟動(dòng)子的比例也會(huì)發(fā)生變化。
e. 代表性共有超級(jí)增強(qiáng)子表征：展示了一種覆蓋脂質(zhì)代謝相關(guān)基因LDLR的代表性共有超級(jí)增強(qiáng)子。x軸表示基因組位點(diǎn)，y軸表示每20bp bin的平均reads深度（以M計(jì)）。Input軌跡為陰性對(duì)照。透明的橙色矩形高亮顯示共有超級(jí)增強(qiáng)子范圍。基因表達(dá)豐度（TPM）顯示在符號(hào)下方。
f. 增強(qiáng)子RNA（eRNAs）的外顯子數(shù)量：比較了多聚腺苷酸化的增強(qiáng)子RNA（eRNAs）與參考注釋中基因的外顯子數(shù)量。
（2）鑒定與肝臟H3K27ac相關(guān)的遺傳變異
（3）eQTL的鑒定與表征
（4）鑒定代謝相關(guān)分子表型和已發(fā)表的 GWAS 位點(diǎn)的功能調(diào)控元件、基因和推定的因果變異
圖5：對(duì)已發(fā)表的平均紅細(xì)胞血紅蛋白濃度（MCHC）的全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）結(jié)果的功能性變異、基因和調(diào)控元件的優(yōu)先級(jí)排序
參考文獻(xiàn)：
Ling Z, Li J, Jiang T, Zhang Z, Zhu Y, Zhou Z, Yang J, Tong X, Yang B, Huang L. Omics-based construction of regulatory variants can be applied to help decipher pig liver-related traits. Commun Biol. 2024 Mar 29;7(1):381. pii: 10.1038/s42003-024-06050-7. doi: 10.1038/s42003-024-06050-7. PubMed PMID: 38553586.
2024年3月29日，江西農(nóng)業(yè)大學(xué)黃路生院士團(tuán)隊(duì)利用292只豬肝臟的組蛋白H3第27位賴氨酸乙酰化（H3K27ac）的ChIP-seq數(shù)據(jù)注釋了90991個(gè)高質(zhì)量調(diào)控元件。結(jié)合基因組重測(cè)序和RNA-seq數(shù)據(jù)，共鑒定出28425個(gè)H3K27ac數(shù)量性狀位點(diǎn)（acQTL）和12250個(gè)表達(dá)數(shù)量性狀位點(diǎn)（eQTL）。通過等位基因不平衡分析在獨(dú)立數(shù)據(jù)集中驗(yàn)證了兩個(gè)因果性acQTL變異。研究觀察到基因表達(dá)和H3K27ac之間存在大量共有遺傳調(diào)控，尤其是在啟動(dòng)子區(qū)域。研究人員推斷46%的H3K27ac與基因表達(dá)表現(xiàn)出伴隨關(guān)系而非因果關(guān)系。通過整合GWAS、eQTL、acQTL和轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合預(yù)測(cè)，進(jìn)一步證明了它們通過代謝物dulcitol、磷脂酰膽堿（PC）（16:0/16:0）和已發(fā)表的表型，在鑒定可能的因果變異和基因以及發(fā)現(xiàn)亞閾值GWAS位點(diǎn)方面的應(yīng)用。研究深入了解調(diào)控元件與基因表達(dá)之間的關(guān)系，以及剖析表型分子機(jī)制的遺傳基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果以“Omics-based construction of regulatory variants can be applied to help decipher pig liver-related traits”為題發(fā)表在《Commun Biology》期刊上。
研究思路
結(jié)果圖形
通過染色質(zhì)免疫沉淀測(cè)序（ChIP-seq）技術(shù)獲得了豬肝臟中H3K27ac的分布情況。將reads比對(duì)到豬的參考基因組（Sscrofa 11.1）。通過peaks鑒定和過濾程序，確定了每個(gè)樣本中平均77947個(gè)H3K27ac峰值。所有峰值進(jìn)一步合并成至少在三個(gè)樣本中出現(xiàn)的90991個(gè)共有峰值。在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（TSS）1 kb范圍內(nèi)的共有峰值定義為啟動(dòng)子（16544個(gè)），其他的被定義為增強(qiáng)子（74447個(gè)）。41%的H3K27ac峰值位于內(nèi)含子中，其中近三分之一是第一個(gè)內(nèi)含子。23%和18%的峰值分布在遠(yuǎn)端間基因區(qū)域和啟動(dòng)子區(qū)域。近一半的峰值位于TSS附近10~100 kb范圍內(nèi)。通過與之前研究中的H3K27ac峰值比較，驗(yàn)證了這些峰值的真實(shí)性。結(jié)果顯示本研究中的30169個(gè)H3K27ac峰值覆蓋了Kern等人研究中98.6%的峰值。此外，研究者還分析了每個(gè)共有峰值的出現(xiàn)百分比與其豐度（以FPM衡量）之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)峰值的出現(xiàn)百分比與其豐度顯著正相關(guān)。同時(shí)還鑒定了調(diào)控可能決定細(xì)胞和組織身份的基因中起重要作用的超增強(qiáng)子。本研究中每個(gè)樣本平均鑒定了1090個(gè)超級(jí)增強(qiáng)子，覆蓋寬度平均為47.2 kb。
圖1：H3K27ac的綜合分析。
b. H3K27ac共有峰：共有峰分為啟動(dòng)子或增強(qiáng)子。啟動(dòng)子位于基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近，增強(qiáng)子位于基因內(nèi)部或遠(yuǎn)端調(diào)控區(qū)域。
c. 共有峰豐度與百分比相關(guān)性：共有峰的平均每M片段數(shù)（FPM，類似于RNA中的TPM）與其在個(gè)體中出現(xiàn)的百分比之間的相關(guān)性。每個(gè)峰用一個(gè)藍(lán)色點(diǎn)表示，紅色實(shí)線為點(diǎn)的擬合。右上角的圖表通過平均值±3倍標(biāo)準(zhǔn)差（sd）去除了異常值。相關(guān)性和顯著性通過斯皮爾曼相關(guān)性計(jì)算。
d. 增強(qiáng)子或啟動(dòng)子的比例變化：隨著共有峰出現(xiàn)的百分比變化，增強(qiáng)子或啟動(dòng)子的比例也會(huì)發(fā)生變化。
e. 代表性共有超級(jí)增強(qiáng)子表征：展示了一種覆蓋脂質(zhì)代謝相關(guān)基因LDLR的代表性共有超級(jí)增強(qiáng)子。x軸表示基因組位點(diǎn)，y軸表示每20bp bin的平均reads深度（以M計(jì)）。Input軌跡為陰性對(duì)照。透明的橙色矩形高亮顯示共有超級(jí)增強(qiáng)子范圍。基因表達(dá)豐度（TPM）顯示在符號(hào)下方。
f. 增強(qiáng)子RNA（eRNAs）的外顯子數(shù)量：比較了多聚腺苷酸化的增強(qiáng)子RNA（eRNAs）與參考注釋中基因的外顯子數(shù)量。
（2）鑒定與肝臟H3K27ac相關(guān)的遺傳變異
圖2：acQTLs的表征和轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合分析
（3）eQTL的鑒定與表征
圖3：H3K27ac與基因表達(dá)的共有遺傳和因果關(guān)系。
（4）鑒定代謝相關(guān)分子表型和已發(fā)表的 GWAS 位點(diǎn)的功能調(diào)控元件、基因和推定的因果變異
圖4：dulcitol相關(guān)候選因果變異、調(diào)控元件和靶基因的鑒定
參考文獻(xiàn)：
Ling Z, Li J, Jiang T, Zhang Z, Zhu Y, Zhou Z, Yang J, Tong X, Yang B, Huang L. Omics-based construction of regulatory variants can be applied to help decipher pig liver-related traits. Commun Biol. 2024 Mar 29;7(1):381. pii: 10.1038/s42003-024-06050-7. doi: 10.1038/s42003-024-06050-7. PubMed PMID: 38553586.
標(biāo)簽：
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