圍產期母體有毒物質暴露對子代血液、大腦和肝臟DNA甲基化的影響
母體在環境化學物質中暴露可能對后代的健康造成不利影響。越來越多的證據支持這些不良效應至少部分受表觀遺傳修飾調控。目前尚不清楚血液中的表觀遺傳變化是否反映了大腦皮層或肝臟等目標組織中的類似變化。
2024年6月4日，美國密歇根大學Rachel K Morgan和Kai Wang合作分析了圍產期發育期間，與人類相關的鉛(Pb)和鄰苯二甲酸鹽(DEHP)暴露相關的大腦皮層、血液和肝臟中組織和性別特異性DNA甲基化(DNAm)變化。相關研究成果以“Effects of Developmental Lead and Phthalate Exposures on DNA Methylation in Adult Mouse Blood, Brain, and Liver: A Focus on Genomic Imprinting by Tissue and Sex”為題發表在《Environmental Health Perspectives》期刊。
標題：Effects of Developmental Lead and Phthalate Exposures on DNA Methylation in Adult Mouse Blood, Brain, and Liver: A Focus on Genomic Imprinting by Tissue and Sex（圍產期發育期間鉛和鄰苯二甲酸鹽暴露對子代小鼠血液、大腦和肝臟 DNA 甲基化的影響：關注組織和性別的基因組印記。）
時間：2024-6-4
期刊：Environmental Health Perspectives
影響因子：IF 10.1 / Q1
技術平臺：WGBS等
本研究在雌性小鼠在交配前2周至子代斷奶期間，通過飲水或食物分別暴露于人類相關的劑量的鉛(32 ppm)或DEHP(5mg/kg/天)。利用全基因組重亞硫酸鹽測序(WGBS)技術檢測5月齡子代的大腦皮層、血液和肝臟中的DNAm變化。
研究結果表明，大腦皮層包含了與Pb(66%)和DEHP(57%)暴露相關的大部分DMRs。在性別間（Pb和DEHP暴露時分別為13和8個DMR）和暴露類型間(雄性和雌性中分別有55個和39個DMRs)，大腦皮層顯示出DMRs特征的最大重疊程度。在所有組織中，檢測到的DMRs主要出現在與基因表達調控相關的基因組區域(例如CpG島和海岸、5'UTR、啟動子和外顯子)。對包含DMRs的基因進行GO分析結果表明，印記基因受Pb和DEHP暴露的影響。其中，Gnas和Grb10在組織、性別和暴露之間都含有DMRs，并且DMRs特征在目標組織和替代組織之間復制。
DMRs在Gnas和Grb10的印記調控區域(ICRs)中富集，再次觀察到血液和目標組織之間DMRs特征的復制，主要是鉛暴露的雄性動物的血液和肝臟中Grb10 ICR的高甲基化。以上研究結果為印記基因可能是尋找目標組織中有毒物質暴露的表觀遺傳生物標志物的可行候選標靶提供了初步證據。需要進一步研究等位基因和發育階段特異性效應，以及是否其他印記基因提供了這種關系的更多例子。
研究方法：
動物暴露模式和組織收集：使用野生型非黃體小鼠（nonagouti a/a），將其隨機分配到對照組、鉛（Pb）處理組或DEHP處理組。通過飲水或食物暴露于人類相關的鉛或DEHP劑量，從交配前2周直至子代斷奶。在小鼠5月齡時收集血液、肝臟和大腦皮層組織。
DNA提取和全基因組重亞硫酸鹽測序(WGBS)：使用商業試劑盒提取基因組DNA，并利用WGBS技術檢測DNA甲基化水平的變化。
數據加工、質量控制和DNA甲基化差異分析：使用多種生物信息學工具和流程進行數據處理和分析，包括MethylSig和metilene軟件確定差異甲基化區域(DMRs)。
結果圖形：
（1）圍產期母體Pb和DEHP暴露后子代組織中的DMRs
B-E. 在一種以上組織類型中發現的DMRs進一步按性別和暴露進行分類（B）。對性別組（C）和暴露組（D）共有DMR進行定量，并按組織類型細分。DMR方向變化比例通常總結為每種組織-性別-暴露組合，%XX表示DMR高甲基化百分比（E）。
（2）在小鼠基因組區域中檢測到DMR的患病率
（3）與DMR基因相關的GO分析
圖5：與DEHP暴露組織中含DMR基因相關的GO分析。
（4）印跡位點的DNA甲基化變化
（5）印記調控區域中與暴露相關的變化
研究小結：
本研究系統地評估了圍產期母體暴露于鉛（Pb）或DEHP后，5月齡子代小鼠的大腦皮層、血液和肝臟中的DNA甲基化變化。通過GO通路分析確定基因組印記受Pb和DEHP暴露的影響，并且印記基因Gnas和Grb10在分析全基因組及其ICRs時提供了一致的DNA甲基化變化初步證據，表明它們可能是探索環境暴露表觀遺傳生物標志物的有用候選者。
以上研究結果表明，印記基因及其印記調控區(ICRs)可能是尋找有毒物質暴露表觀遺傳生物標志物的可行性候選標靶。為了最大化這一研究目標的效用，未來的工作旨在評估對基因表達的影響，這將擴展對暴露對目標組織（如大腦或肝臟）健康影響的認識。本研究突出了印記基因的潛力，同時需要需要進一步研究等位基因特異性效應、發育階段的作用，以及這些表觀遺傳變化對功能健康結果的意義。
參考文獻：
Morgan RK, Wang K, Svoboda LK, Rygiel CA, Lalancette C, Cavalcante R, Bartolomei MS, Prasasya R, Neier K, Perera BPU, Jones TR, Colacino JA, Sartor MA, Dolinoy DC. Effects of Developmental Lead and Phthalate Exposures on DNA Methylation in Adult Mouse Blood, Brain, and Liver: A Focus on Genomic Imprinting by Tissue and Sex. Environ Health Perspect. 2024 Jun;132(6):67003. doi: 10.1289/EHP14074. PubMed PMID: 38833407.
2024年6月4日，美國密歇根大學Rachel K Morgan和Kai Wang合作分析了圍產期發育期間，與人類相關的鉛(Pb)和鄰苯二甲酸鹽(DEHP)暴露相關的大腦皮層、血液和肝臟中組織和性別特異性DNA甲基化(DNAm)變化。相關研究成果以“Effects of Developmental Lead and Phthalate Exposures on DNA Methylation in Adult Mouse Blood, Brain, and Liver: A Focus on Genomic Imprinting by Tissue and Sex”為題發表在《Environmental Health Perspectives》期刊。
標題：Effects of Developmental Lead and Phthalate Exposures on DNA Methylation in Adult Mouse Blood, Brain, and Liver: A Focus on Genomic Imprinting by Tissue and Sex（圍產期發育期間鉛和鄰苯二甲酸鹽暴露對子代小鼠血液、大腦和肝臟 DNA 甲基化的影響：關注組織和性別的基因組印記。）
時間：2024-6-4
期刊：Environmental Health Perspectives
影響因子：IF 10.1 / Q1
技術平臺：WGBS等
本研究在雌性小鼠在交配前2周至子代斷奶期間，通過飲水或食物分別暴露于人類相關的劑量的鉛(32 ppm)或DEHP(5mg/kg/天)。利用全基因組重亞硫酸鹽測序(WGBS)技術檢測5月齡子代的大腦皮層、血液和肝臟中的DNAm變化。
研究結果表明，大腦皮層包含了與Pb(66%)和DEHP(57%)暴露相關的大部分DMRs。在性別間（Pb和DEHP暴露時分別為13和8個DMR）和暴露類型間(雄性和雌性中分別有55個和39個DMRs)，大腦皮層顯示出DMRs特征的最大重疊程度。在所有組織中，檢測到的DMRs主要出現在與基因表達調控相關的基因組區域(例如CpG島和海岸、5'UTR、啟動子和外顯子)。對包含DMRs的基因進行GO分析結果表明，印記基因受Pb和DEHP暴露的影響。其中，Gnas和Grb10在組織、性別和暴露之間都含有DMRs，并且DMRs特征在目標組織和替代組織之間復制。
DMRs在Gnas和Grb10的印記調控區域(ICRs)中富集，再次觀察到血液和目標組織之間DMRs特征的復制，主要是鉛暴露的雄性動物的血液和肝臟中Grb10 ICR的高甲基化。以上研究結果為印記基因可能是尋找目標組織中有毒物質暴露的表觀遺傳生物標志物的可行候選標靶提供了初步證據。需要進一步研究等位基因和發育階段特異性效應，以及是否其他印記基因提供了這種關系的更多例子。
研究方法：
動物暴露模式和組織收集：使用野生型非黃體小鼠（nonagouti a/a），將其隨機分配到對照組、鉛（Pb）處理組或DEHP處理組。通過飲水或食物暴露于人類相關的鉛或DEHP劑量，從交配前2周直至子代斷奶。在小鼠5月齡時收集血液、肝臟和大腦皮層組織。
DNA提取和全基因組重亞硫酸鹽測序(WGBS)：使用商業試劑盒提取基因組DNA，并利用WGBS技術檢測DNA甲基化水平的變化。
數據加工、質量控制和DNA甲基化差異分析：使用多種生物信息學工具和流程進行數據處理和分析，包括MethylSig和metilene軟件確定差異甲基化區域(DMRs)。
圖1：實驗流程。
F0代雌性小鼠（6-8周齡）通過飲水暴露于32 ppm的鉛（Pb）或通過食物暴露于5mg/kg/天的DEHP中，從交配前2周開始，使用同齡的雄性小鼠（8-10周齡）。鉛或DEHP或對照組的暴露持續進行，經過妊娠和哺乳期，F1代小鼠（n a=36）從雌鼠中取出，并分別放置在對照水或食物中。在5月齡時，從F1代小鼠的血液、肝臟和大腦皮層組織（n t=108）中提取基因組DNA。DNA用于制備WGBS文庫。在原始數據處理之后，calling差異甲基化區域（DMRs）。
結果圖形：
（1）圍產期母體Pb和DEHP暴露后子代組織中的DMRs
圖2：檢測到的DMR。
A. DMRs按組織（血液、皮層和肝臟）、性別（F：雌性，M：雄性）和暴露組（Pb、DEHP和對照組）進行分類，甲基化差異>5%，FDR<0.1。B-E. 在一種以上組織類型中發現的DMRs進一步按性別和暴露進行分類（B）。對性別組（C）和暴露組（D）共有DMR進行定量，并按組織類型細分。DMR方向變化比例通常總結為每種組織-性別-暴露組合，%XX表示DMR高甲基化百分比（E）。
（2）在小鼠基因組區域中檢測到DMR的患病率
圖3：檢測到的DMR的基因組區域。
將DMR比對到小鼠參考基因組（mm10），并將其基因組區域注釋為該性別和每個組織內暴露的總DMR的百分比（比較對照和暴露樣品）。將這種分布與隨機分布中預期的分布進行比較。（3）與DMR基因相關的GO分析
圖4：與Pb暴露組織中含DMR基因相關的GO分析。
Pb暴露組織中的含DMR基因進行三類GO分析：生物過程（GOBP），細胞成分（GOCC）和分子功能（GOMF）。
圖5：與DEHP暴露組織中含DMR基因相關的GO分析。
（4）印跡位點的DNA甲基化變化
圖6：Gnas和Grb10位點上與Pb和DEHP相關DMRs的基因組定位和方向
在Gnas和Grb10位點中檢測到的DMR根據其在每個基因的基因組位置進行分類。甲基化變化百分比通過大小表示，甲基化變化方向通過顏色表示（圓圈：DEHP樣本中高甲基化DMRs；正方形：DEHP樣本中的低甲基化；菱形：鉛樣本中高甲基化區域；三角形：鉛樣本中的低甲基化）。（5）印記調控區域中與暴露相關的變化
圖7：在Pb和DEHP暴露組織的Gnas和Grb10ICR中檢測到的DMR。
- 在GnasICR、Nespas和Gnas中檢測到的DMR。
- 在Grb10中檢測到的DMR。DMR僅表示與ICR的基因組坐標相對應的相關基因組位置。
研究小結：
本研究系統地評估了圍產期母體暴露于鉛（Pb）或DEHP后，5月齡子代小鼠的大腦皮層、血液和肝臟中的DNA甲基化變化。通過GO通路分析確定基因組印記受Pb和DEHP暴露的影響，并且印記基因Gnas和Grb10在分析全基因組及其ICRs時提供了一致的DNA甲基化變化初步證據，表明它們可能是探索環境暴露表觀遺傳生物標志物的有用候選者。
以上研究結果表明，印記基因及其印記調控區(ICRs)可能是尋找有毒物質暴露表觀遺傳生物標志物的可行性候選標靶。為了最大化這一研究目標的效用，未來的工作旨在評估對基因表達的影響，這將擴展對暴露對目標組織（如大腦或肝臟）健康影響的認識。本研究突出了印記基因的潛力，同時需要需要進一步研究等位基因特異性效應、發育階段的作用，以及這些表觀遺傳變化對功能健康結果的意義。
參考文獻：
Morgan RK, Wang K, Svoboda LK, Rygiel CA, Lalancette C, Cavalcante R, Bartolomei MS, Prasasya R, Neier K, Perera BPU, Jones TR, Colacino JA, Sartor MA, Dolinoy DC. Effects of Developmental Lead and Phthalate Exposures on DNA Methylation in Adult Mouse Blood, Brain, and Liver: A Focus on Genomic Imprinting by Tissue and Sex. Environ Health Perspect. 2024 Jun;132(6):67003. doi: 10.1289/EHP14074. PubMed PMID: 38833407.
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