文獻(xiàn)解讀:高原適應(yīng)的表觀遺傳密碼DNA甲基化與衰老的研究
瀏覽次數(shù):40 發(fā)布日期:2025-5-9
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高原環(huán)境由于氣壓降低(包括氧分壓)、溫度下降和紫外線輻射增加,對(duì)人類定居構(gòu)成挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這種惡劣環(huán)境,短期高原適應(yīng)(short-term acclimatization,STA)會(huì)通過(guò)生理變化恢復(fù)穩(wěn)態(tài)(如增強(qiáng)通氣和心率),而長(zhǎng)期高原適應(yīng)(long-term adaptation,LTA)則通過(guò)數(shù)千年的進(jìn)化實(shí)現(xiàn)了遺傳適應(yīng)。然而DNA甲基化作為一種重要的表觀遺傳機(jī)制,其在高原適應(yīng)中的作用尚不清楚。
近日,西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院楊劍教授團(tuán)隊(duì)、首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京同仁醫(yī)院金子兵教授團(tuán)隊(duì)、溫州醫(yī)科大學(xué)呂帆教授團(tuán)隊(duì)合作,通過(guò)大規(guī)模的甲基化組關(guān)聯(lián)研究(methylome-wide association studies,MWAS),探討了高原環(huán)境對(duì)人類定居的挑戰(zhàn),特別是DNA甲基化在短期高原適應(yīng)(STA)和長(zhǎng)期高原適應(yīng)(LTA)中的作用。研究納入687名高原原住民(NHs,即高原藏族)、299名適應(yīng)后移民(ANs,即高原漢族)和462名低海拔原住民(NLs,即低海拔漢族),旨在鑒定與STA和LTA相關(guān)的差異甲基化位點(diǎn)(differentially methylated sites,DMSs),并分析其在生物學(xué)通路中的富集情況。此外還評(píng)估了高原環(huán)境對(duì)衰老的影響,并探討了遺傳分化在高原適應(yīng)中的作用。本研究揭示了DNA甲基化在高原適應(yīng)中的作用,為理解人類如何在高原環(huán)境中生存和適應(yīng)提供了新視角。此外,研究結(jié)果還可能為開(kāi)發(fā)靶向高原相關(guān)疾病和衰老的干預(yù)策略提供理論依據(jù)。相關(guān)研究成果以《Distinct methylomic signatures of high-altitude acclimatization and adaptation in the Tibetan Plateau》為題發(fā)表于《Cell Discovery》期刊。

標(biāo)題:Distinct methylomic signatures of high-altitude acclimatization and adaptation in the Tibetan Plateau(青藏高原高海拔馴化和適應(yīng)的差異DNA甲基化表征)
發(fā)表時(shí)間:2025-05-06
發(fā)表期刊:Cell Discovery
影響因子:IF13/Q1
技術(shù)平臺(tái):450K芯片、MWAS分析、meQTL分析、表觀遺傳時(shí)鐘分析
本研究對(duì)687名青藏高原原住民、299名適應(yīng)后移民以及462名低海拔原住民進(jìn)行了全甲基化組關(guān)聯(lián)研究,以鑒定與STA或LTA相關(guān)的差異甲基化位點(diǎn)(DMSs)。研究分別鑒定出93個(gè)和4070個(gè)與STA和LTA相關(guān)的DMSs,它們之間沒(méi)有重疊,表現(xiàn)出相反的不對(duì)稱效應(yīng)大小模式,并且分別位于富集于不同生物學(xué)通路/過(guò)程的基因附近(例如,STA相關(guān)的細(xì)胞周期和LTA相關(guān)的免疫疾病及鈣信號(hào)通路)。表觀遺傳時(shí)鐘分析顯示,與低海拔原住民相比,適應(yīng)后的移民表現(xiàn)出加速衰老的跡象。本研究為理解高原相關(guān)的表觀遺傳調(diào)控以及靶向高原相關(guān)衰老或疾病的干預(yù)策略提供了新的見(jiàn)解。
研究方法
樣本收集:研究納入了高原原住民(NHs)、適應(yīng)后的移民(ANs)和低海拔原住民(NLs),分別采集他們的血液樣本進(jìn)行DNA甲基化分析和基因分型。
甲基化組關(guān)聯(lián)研究(MWAS):通過(guò)比較ANs與NLs鑒定與STA相關(guān)的DMSs,通過(guò)比較NHs與Ans鑒定與LTA相關(guān)的DMSs。
表觀遺傳時(shí)鐘分析:利用表觀遺傳時(shí)鐘模型預(yù)測(cè)參與者的表觀遺傳年齡,并評(píng)估其與實(shí)際年齡的差異。
甲基化定量性狀位點(diǎn)(meQTL)分析:鑒定與DNA甲基化相關(guān)的遺傳變異,并探討其在高原適應(yīng)中的作用。
結(jié)果圖形
(1)研究設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)概覽
研究利用藏族-漢族高海拔(Tibetan-Han Chinese high-altitude,THCH)隊(duì)列,包括三個(gè)群體:高原原住民(NHs)、適應(yīng)后的移民(ANs)和低海拔原住民(NLs)。經(jīng)過(guò)質(zhì)控(quality control,QC)后,保留了約5.1M常見(jiàn)遺傳變異和445K DNA甲基化探針。

圖1:研究設(shè)計(jì)示意圖。
① 招募參與者,包括高原原住民(NHs,高原藏族)、適應(yīng)后移民(ANs,高原漢族)和低海拔原住民(NLs,低海拔漢族)。
② 進(jìn)行甲基化組全關(guān)聯(lián)研究(MWAS),以研究與高原短期適應(yīng)(STA)和長(zhǎng)期適應(yīng)(LTA)相關(guān)的DNA甲基化變化。通過(guò)比較NHs和ANs,鑒定了與長(zhǎng)期適應(yīng)相關(guān)的差異甲基化位點(diǎn)(DMSs);通過(guò)比較ANs和NLs,鑒定了與短期適應(yīng)相關(guān)的DMSs。
③ 利用表觀遺傳時(shí)鐘分析來(lái)評(píng)估這三組人群的衰老加速情況,還測(cè)試了八類行為和生物醫(yī)學(xué)表型與居住在青藏高原的受試者衰老加速之間的關(guān)聯(lián)。
④ 利用可用的基因型和DNA甲基化數(shù)據(jù)進(jìn)行甲基化定量性狀位點(diǎn)(meQTL)分析,并探討了遺傳分化在驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)期適應(yīng)DMSs中的作用。
(2)鑒定與高原適應(yīng)相關(guān)的差異甲基化位點(diǎn)(DMSs)
鑒定出93個(gè)與短期適應(yīng)(STA)相關(guān)的DMSs,主要富集在細(xì)胞周期相關(guān)基因附近。
鑒定出4070個(gè)與長(zhǎng)期適應(yīng)(LTA)相關(guān)的DMSs,主要富集在免疫疾病和鈣信號(hào)通路相關(guān)基因附近。STA和LTA的DMSs沒(méi)有重疊,且甲基化水平的變化方向相反。
圖2:STA和LTA的甲基化組全關(guān)聯(lián)研究(MWAS)分析。
a/c. STA(a)和LTA(c)的MWAS結(jié)果的曼哈頓圖。
b/d. QQ(quantile-quantile)圖顯示STA(b)和LTA(d)的bacon校正的P值(y軸)與在零假設(shè)下的預(yù)期分布(x軸)的關(guān)系。
e. STA DMSs的功能元件富集。
f. LTA DMSs的功能元件富集。
(3)DMSs在生物學(xué)通路和基因本體(Genebody)中的富集
STA的DMSs主要富集在細(xì)胞周期相關(guān)通路中,表明細(xì)胞周期相關(guān)過(guò)程在STA中起主要作用。LTA的DMSs主要富集在免疫疾病和鈣信號(hào)通路中,可能與高原環(huán)境中的炎癥和感染適應(yīng)有關(guān)。
圖3:STA和LTA的基因集富集分析。
a-d. 基因集富集分析顯示前10個(gè)KEGG和GO富集氣泡圖。y軸表示生物學(xué)通路/過(guò)程,x軸表示富集顯著性。氣泡大小表示該集合中的基因數(shù)量。虛線表示FDR閾值為0.05。STA的KEGG富集(a),LTA的KEGG富集(b),STA的GO富集(c),LTA的GO富集(d)。
(4)meQTLs的識(shí)別與驗(yàn)證
meQTL分析鑒定出13464132個(gè)順式meQTLs和330624個(gè)反式meQTLs,這些遺傳變異與DNA甲基化位點(diǎn)顯著相關(guān)。并在歐洲人群中驗(yàn)證這些meQTLs,顯示出與東亞人群高度一致效應(yīng)。
圖4:THCH的meQTLs表征及其在優(yōu)先排序與復(fù)雜性狀相關(guān)的DNA甲基化探針中的表現(xiàn)。
a.全基因組中順式(cis)和反式(trans)meQTLs位置。每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)meQTL,其中x軸表示CpG位點(diǎn)位置,y軸表示SNP位置,點(diǎn)的顏色基于SNP所在的染色體。虛線表示染色體邊界。對(duì)角線顯示了整個(gè)基因組中順式meQTLs的分布密度。
b.不同數(shù)據(jù)集/人群中meQTL效應(yīng)大小相關(guān)性的熱圖。分析包括三個(gè)數(shù)據(jù)集/人群:本研究中的THCH數(shù)據(jù)(中國(guó)人群,東亞祖源,EAS)、新加坡iOmics數(shù)據(jù)(東南亞人群)以及Lothian出生隊(duì)列(LBC)和布里斯班系統(tǒng)遺傳學(xué)研究(BSGS)數(shù)據(jù)的薈萃分析(歐洲祖源,EUR)。
c.順式meQTLs在基因組元件中的富集情況。
d. 反式meQTLs在基因組元件中的富集情況。
e.與32種復(fù)雜性狀相關(guān)的DNAm探針數(shù)量的條形圖。
(5)遺傳分化在驅(qū)動(dòng)LTA DMS中的作用
遺傳分化分析揭示LTA DMSs的遺傳變異與高原適應(yīng)相關(guān),表明遺傳分化在高原適應(yīng)中起重要作用。共定位分析揭示與高原適應(yīng)相關(guān)的遺傳信號(hào)與DNA甲基化信號(hào)共享相同的因果變異。
圖5:遺傳分化在驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)期適應(yīng)(LTA)差異甲基化位點(diǎn)(DMSs)中的作用。
a. 在已知適應(yīng)性位點(diǎn)的主效變異作為協(xié)變量加入后的甲基化組全關(guān)聯(lián)研究(MWAS)分析。
b-c. 使用SMR分析鑒定meQTL信號(hào)和高原遺傳適應(yīng)信號(hào)共享相同因果變異的遺傳位點(diǎn)。b圖為2號(hào)染色體上的EPAS1區(qū)域,c圖為1號(hào)染色體上的EGLN1區(qū)域。
(6)表觀遺傳時(shí)鐘分析揭示適應(yīng)后移民的加速衰老
表觀遺傳時(shí)鐘分析揭示適應(yīng)后移民的表觀遺傳年齡顯著高于其實(shí)際年齡,表明高原環(huán)境可能導(dǎo)致加速衰老。風(fēng)險(xiǎn)因素分析揭示陽(yáng)光暴露和血液細(xì)胞成分與加速衰老顯著相關(guān)。
圖6:表觀遺傳年齡預(yù)測(cè)。
a.以實(shí)際年齡(y軸)對(duì)BLUP模型預(yù)測(cè)年齡(x軸)的散點(diǎn)圖。每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)個(gè)體,每個(gè)panel代表THCH隊(duì)列中的一個(gè)群體。紅線表示斜率為1、截距為0的線。panel左上角的數(shù)字是決定系數(shù)(R2)。
b.三個(gè)群體的年齡加速殘差(age acceleration residual,AAR)的箱線圖。箱上方的P值表示兩個(gè)群體之間平均AAR差異的統(tǒng)計(jì)顯著性。箱下方的P值表示所有三個(gè)群體之間平均AAR差異的顯著性。
易小結(jié)
本研究通過(guò)大規(guī)模的甲基化組關(guān)聯(lián)研究,揭示了高原適應(yīng)過(guò)程中DNA甲基化的特異性模式,并發(fā)現(xiàn)適應(yīng)后移民存在加速衰老現(xiàn)象。這些發(fā)現(xiàn)為理解高原適應(yīng)的分子機(jī)制提供了新的視角,并為開(kāi)發(fā)靶向高原相關(guān)疾病和衰老的干預(yù)策略提供了理論依據(jù)。
MWAS分析、meQTLs分析和表觀遺傳時(shí)鐘分析在本研究中的重要作用
在本研究中,甲基化組關(guān)聯(lián)分析(MWAS)、甲基化定量性狀位點(diǎn)(meQTLs)分析和表觀遺傳時(shí)鐘分析發(fā)揮了至關(guān)重要的作用,分別從不同的角度揭示了高原適應(yīng)的表觀遺傳機(jī)制和相關(guān)生物學(xué)過(guò)程。
MWAS分析:MWAS通過(guò)比較不同群體的DNA甲基化水平,識(shí)別出與高原短期適應(yīng)(STA)和長(zhǎng)期適應(yīng)(LTA)相關(guān)的DMSs,揭示了生物學(xué)通路的差異,提供環(huán)境適應(yīng)的分子證據(jù)。
meQTLs分析:通過(guò)鑒定與DNA甲基化相關(guān)的遺傳變異,揭示了遺傳分化在高原適應(yīng)中的作用,為理解高原適應(yīng)的遺傳基礎(chǔ)提供了重要線索。
表觀遺傳時(shí)鐘分析:通過(guò)評(píng)估表觀遺傳年齡與實(shí)際年齡的差異,揭示了高原環(huán)境對(duì)衰老的影響,為開(kāi)發(fā)抗衰老策略提供了潛在靶點(diǎn)。
參考文獻(xiàn):
Cheng, F., Shen, RJ., Zheng, Z. et al. Distinct methylomic signatures of high-altitude acclimatization and adaptation in the Tibetan Plateau. Cell Discov 11, 45 (2025). https://doi.org/10.1038/s41421-025-00795-z