導(dǎo)讀

DNA甲基化是一種重要的表觀遺傳標記，但現(xiàn)有的人類DNA甲基化數(shù)據(jù)集存在很大的局限性。大多數(shù)DNA甲基化分析主要針對大塊組織，因此掩蓋了那些罕見細胞類型，例如組織常駐免疫細胞、成纖維細胞或內(nèi)皮細胞等。作為部分解決方案，近期有研究利用來自全組織的單細胞轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)來識別在特定細胞類型中表達的標記基因，然后鑒定出甲基化與表達負相關(guān)的特定CpGs，但這對于鑒定液體活檢中的罕見細胞可能仍不夠準確。

近日，為了克服這些限制并準確表征人類細胞甲基化特征，來自以色列希伯來耶路撒冷大學(xué)等單位的研究團隊在Nature發(fā)表了題為“A DNA methylation atlas of normal human cell types”的文章。研究團隊構(gòu)建了39種不同細胞類型的深度甲基化圖譜，并將整個基因組的甲基化模式合并為甲基化的CpG位點模塊，使用這些模塊來研究不同細胞類型甲基化模式的變化。同時，研究團隊還識別描述了組織或細胞類型特異性的甲基化基因組區(qū)域，分析了其可能的生物學(xué)功能。總之，該甲基化圖譜為研究基因調(diào)控、疾病相關(guān)遺傳因素以及開發(fā)用于液體活檢的組織特異性生物標志物提供了寶貴的數(shù)據(jù)資源。

人類細胞甲基化圖譜

為了描述多種細胞類型的全基因組DNA甲基化，研究團隊對來自137名個體77種原代細胞類型的205個健康樣本進行了全基因組亞硫酸氫鹽測序。通過流式細胞儀、基因表達和DNA甲基化分析，研究用平均樣品純度超過90%。所分析的細胞類型代表了大多數(shù)主要人類細胞類型，以及不同環(huán)境中相似細胞類型 (如組織駐留巨噬細胞）。結(jié)果顯示，細胞類型之間以塊狀方式發(fā)生顯著變化。研究人員還識別了特定細胞類型中甲基化差異的基因組區(qū)域，以闡明特定細胞類型的生物過程，定義細胞身份，并促進甲基化生物標志物的開發(fā)，以及確定循環(huán)cfDNA片段的細胞起源。

甲基化記錄了發(fā)育歷史

雖然DNA甲基化模式反映了細胞的功能特征，但它們也可以用來追蹤細胞的發(fā)育歷史。為了確定早期祖細胞的后代共享模式，研究人員計算了至少四個CpG區(qū)塊內(nèi)的平均甲基化，并篩選在所有樣本中表現(xiàn)出最高變動性的CpG區(qū)塊。然后，使用無監(jiān)督凝聚算法進行聚類，該算法最終迭代地識別并連接兩個相近的樣本。該分析系統(tǒng)地將相同細胞類型的生物樣本分組，類似于純化的人類血細胞的聚類。同時，研究團隊還分析了人類組織之間譜系關(guān)系的關(guān)鍵要素。例如，起源于同一胚胎內(nèi)分泌祖細胞的胰島細胞類型密集地聚集在一起，胰島細胞進一步與胰管和腺泡細胞聚集，然后與肝細胞聚集，這可能是因為它們與肝細胞共享內(nèi)胚層起源；與之相反，雖然存在共同的組織特異性基因調(diào)控，內(nèi)胚層來源的胰島細胞并不與外胚層來源的神經(jīng)元聚集。

人類細胞類型特異性調(diào)控

研究團隊分析了細胞類型特異性DNA可及性和染色質(zhì)組裝。研究發(fā)現(xiàn)，單核細胞和巨噬細胞的前250個未甲基化標記是高度開放的，在單核細胞中以H3K27ac和H3K4me1為特征，其他細胞類型的標記在單核細胞中沒有富集。結(jié)果還顯示，chromHMM增強子注釋在細胞類型特異性標記上有強烈的協(xié)調(diào)富集。為了進一步評估細胞類型特異性未甲基化區(qū)域的生物學(xué)功能，研究人員分析它們與轉(zhuǎn)錄因子的關(guān)系，這些轉(zhuǎn)錄因子既可以影響DNA甲基化，也可以以細胞類型特異性的方式結(jié)合DNA，這取決于甲基化和染色質(zhì)狀態(tài)。研究確定了每種細胞類型的前1000個未甲基化標記，并進行Motif分析，以計算已知轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合Motif的富集。對于大多數(shù)細胞類型而言，Motif包括主調(diào)控因子和關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。這種細胞類型特異性的非甲基化區(qū)域和轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合基元之間的聯(lián)系可以識別新的基因調(diào)節(jié)回路，以及特定細胞類型中活躍的遠端增強子。

細胞類型特異性高甲基化位點

隨后，研究團隊分析了在一種細胞類型中甲基化，但在人體其他細胞未甲基化的基因組區(qū)域。這些細胞類型特異性的高甲基化區(qū)域通常對Motif富集不太顯著。有趣的是，只有大約3%的細胞類型特異性差異甲基化區(qū)域是高甲基化的。在匯集了所有細胞類型特異性的高甲基化區(qū)域后，研究確定了染色質(zhì)調(diào)節(jié)因子CTCF靶標序列的強富集。這表明CTCF結(jié)合位點的DNA甲基化可以作為一個組織特異性的調(diào)節(jié)開關(guān)來調(diào)節(jié)其結(jié)合，并潛在地影響組織特異性的三維基因組。

結(jié) 語

綜上所述，該研究報道了一個全面的初級人類細胞類型甲基化圖譜，以及一套廣泛的細胞類型特異性標記和計算工具，可用于混合細胞類型樣本的片段級分析。研究結(jié)果顯示，來自不同個體相同細胞類型的甲基化模式驚人地相似。就健康組織而言，個體之間的相似性反映了細胞分化和維持的穩(wěn)健性；而涉及表觀基因組不穩(wěn)定的病理明顯破壞了這些相似，導(dǎo)致來自特定正常細胞類型之間的甲基化模式更加多樣化。總之，該研究闡明了DNA甲基化在細胞生物學(xué)和基因調(diào)控中的作用，并促進了每種細胞類型中活性增強子的鑒定。人類細胞類型甲基化的綜合圖譜為多條相關(guān)研究線以及應(yīng)用提供了有價值的資源，例如敏感地識別患有癌癥和其他疾病的個體血漿中cfDNA的起源組織。參考文獻：1. Loyfer, N., Magenheim, J., Peretz, A. et al. A DNA methylation atlas of normal human cell types. Nature (2023).2. ENCODE Project Consortiumet al. Expanded encyclopaedias of DNA elements in the human and mouse genomes. Nature 583, 699–710 (2020).

3. Zhu, T. et al. A pan-tissue DNA methylation atlas enables in silico decomposition of human tissue methylomes at cell-type resolution.?Nat. Methods?19, 296–306 (2022).

來源：測序中國