ChIP-seq等組學分析揭示豬肝臟組織的H3K27ac狀態(tài)和基因表達遺傳調控
遺傳變異可以通過改變調控元件來改變基因表達，從而影響復雜性狀。然而，影響豬調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和助力理解復雜表型仍不清楚。
2024年3月29日，江西農業(yè)大學黃路生院士團隊利用292只豬肝臟的組蛋白H3第27位賴氨酸乙�；℉3K27ac）的ChIP-seq數據注釋了90991個高質量調控元件。結合基因組重測序和RNA-seq數據，共鑒定出28425個H3K27ac數量性狀位點（acQTL）和12250個表達數量性狀位點（eQTL）。通過等位基因不平衡分析在獨立數據集中驗證了兩個因果性acQTL變異。研究觀察到基因表達和H3K27ac之間存在大量共有遺傳調控，尤其是在啟動子區(qū)域。研究人員推斷46%的H3K27ac與基因表達表現出伴隨關系而非因果關系。通過整合GWAS、eQTL、acQTL和轉錄因子結合預測，進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)現亞閾值GWAS位點方面的應用。研究深入了解調控元件與基因表達之間的關系，以及剖析表型分子機制的遺傳基礎。相關研究成果以“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
結果圖形
（1）調控元件的描述和注釋
通過染色質免疫沉淀測序（ChIP-seq）技術獲得了豬肝臟中H3K27ac的分布情況。將reads比對到豬的參考基因組（Sscrofa 11.1）。通過peaks鑒定和過濾程序，確定了每個樣本中平均77947個H3K27ac峰值。所有峰值進一步合并成至少在三個樣本中出現的90991個共有峰值。在轉錄起始位點（TSS）1 kb范圍內的共有峰值定義為啟動子（16544個），其他的被定義為增強子（74447個）。41%的H3K27ac峰值位于內含子中，其中近三分之一是第一個內含子。23%和18%的峰值分布在遠端間基因區(qū)域和啟動子區(qū)域。近一半的峰值位于TSS附近10~100 kb范圍內。通過與之前研究中的H3K27ac峰值比較，驗證了這些峰值的真實性。結果顯示本研究中的30169個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共有峰值的出現百分比與其豐度（以FPM衡量）之間的相關性，發(fā)現峰值的出現百分比與其豐度顯著正相關。同時還鑒定了調控可能決定細胞和組織身份的基因中起重要作用的超增強子。本研究中每個樣本平均鑒定了1090個超級增強子，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：共有峰分為啟動子或增強子。啟動子位于基因轉錄起始位點附近，增強子位于基因內部或遠端調控區(qū)域。
c. 共有峰豐度與百分比相關性：共有峰的平均每M片段數（FPM，類似于RNA中的TPM）與其在個體中出現的百分比之間的相關性。每個峰用一個藍色點表示，紅色實線為點的擬合。右上角的圖表通過平均值±3倍標準差（sd）去除了異常值。相關性和顯著性通過斯皮爾曼相關性計算。
d. 增強子或啟動子的比例變化：隨著共有峰出現的百分比變化，增強子或啟動子的比例也會發(fā)生變化。
e. 代表性共有超級增強子表征：展示了一種覆蓋脂質代謝相關基因LDLR的代表性共有超級增強子。x軸表示基因組位點，y軸表示每20bp bin的平均reads深度（以M計）。Input軌跡為陰性對照。透明的橙色矩形高亮顯示共有超級增強子范圍。基因表達豐度（TPM）顯示在符號下方。
f. 增強子RNA（eRNAs）的外顯子數量：比較了多聚腺苷酸化的增強子RNA（eRNAs）與參考注釋中基因的外顯子數量。
（2）鑒定與肝臟H3K27ac相關的遺傳變異
（3）eQTL的鑒定與表征
（4）鑒定代謝相關分子表型和已發(fā)表的 GWAS 位點的功能調控元件、基因和推定的因果變異
圖5：對已發(fā)表的平均紅細胞血紅蛋白濃度（MCHC）的全基因組關聯研究（GWAS）結果的功能性變異、基因和調控元件的優(yōu)先級排序
參考文獻：
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，江西農業(yè)大學黃路生院士團隊利用292只豬肝臟的組蛋白H3第27位賴氨酸乙�；℉3K27ac）的ChIP-seq數據注釋了90991個高質量調控元件。結合基因組重測序和RNA-seq數據，共鑒定出28425個H3K27ac數量性狀位點（acQTL）和12250個表達數量性狀位點（eQTL）。通過等位基因不平衡分析在獨立數據集中驗證了兩個因果性acQTL變異。研究觀察到基因表達和H3K27ac之間存在大量共有遺傳調控，尤其是在啟動子區(qū)域。研究人員推斷46%的H3K27ac與基因表達表現出伴隨關系而非因果關系。通過整合GWAS、eQTL、acQTL和轉錄因子結合預測，進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)現亞閾值GWAS位點方面的應用。研究深入了解調控元件與基因表達之間的關系，以及剖析表型分子機制的遺傳基礎。相關研究成果以“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
結果圖形
通過染色質免疫沉淀測序（ChIP-seq）技術獲得了豬肝臟中H3K27ac的分布情況。將reads比對到豬的參考基因組（Sscrofa 11.1）。通過peaks鑒定和過濾程序，確定了每個樣本中平均77947個H3K27ac峰值。所有峰值進一步合并成至少在三個樣本中出現的90991個共有峰值。在轉錄起始位點（TSS）1 kb范圍內的共有峰值定義為啟動子（16544個），其他的被定義為增強子（74447個）。41%的H3K27ac峰值位于內含子中，其中近三分之一是第一個內含子。23%和18%的峰值分布在遠端間基因區(qū)域和啟動子區(qū)域。近一半的峰值位于TSS附近10~100 kb范圍內。通過與之前研究中的H3K27ac峰值比較，驗證了這些峰值的真實性。結果顯示本研究中的30169個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共有峰值的出現百分比與其豐度（以FPM衡量）之間的相關性，發(fā)現峰值的出現百分比與其豐度顯著正相關。同時還鑒定了調控可能決定細胞和組織身份的基因中起重要作用的超增強子。本研究中每個樣本平均鑒定了1090個超級增強子，覆蓋寬度平均為47.2 kb。
圖1：H3K27ac的綜合分析。
b. H3K27ac共有峰：共有峰分為啟動子或增強子。啟動子位于基因轉錄起始位點附近，增強子位于基因內部或遠端調控區(qū)域。
c. 共有峰豐度與百分比相關性：共有峰的平均每M片段數（FPM，類似于RNA中的TPM）與其在個體中出現的百分比之間的相關性。每個峰用一個藍色點表示，紅色實線為點的擬合。右上角的圖表通過平均值±3倍標準差（sd）去除了異常值。相關性和顯著性通過斯皮爾曼相關性計算。
d. 增強子或啟動子的比例變化：隨著共有峰出現的百分比變化，增強子或啟動子的比例也會發(fā)生變化。
e. 代表性共有超級增強子表征：展示了一種覆蓋脂質代謝相關基因LDLR的代表性共有超級增強子。x軸表示基因組位點，y軸表示每20bp bin的平均reads深度（以M計）。Input軌跡為陰性對照。透明的橙色矩形高亮顯示共有超級增強子范圍。基因表達豐度（TPM）顯示在符號下方。
f. 增強子RNA（eRNAs）的外顯子數量：比較了多聚腺苷酸化的增強子RNA（eRNAs）與參考注釋中基因的外顯子數量。
（2）鑒定與肝臟H3K27ac相關的遺傳變異
圖2：acQTLs的表征和轉錄因子結合分析
（3）eQTL的鑒定與表征
圖3：H3K27ac與基因表達的共有遺傳和因果關系。
（4）鑒定代謝相關分子表型和已發(fā)表的 GWAS 位點的功能調控元件、基因和推定的因果變異
圖4：dulcitol相關候選因果變異、調控元件和靶基因的鑒定
參考文獻：
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.
標簽：
組蛋白修飾
