哺乳動物胎盤DNA甲基化變化和胎兒出生體重的綜合分析
出生體重是一個復雜的多因素性狀，與后期生活中的健康狀況和疾病風險有關。胎盤對胎兒的正常生長至關重要，并負責促進母體和發育中胎兒之間的氣體、營養和廢物交換。胎盤DNA甲基化變化如何影響胎兒出生體重尚未完全闡明。研究證實，DNA甲基化調節滋養層侵襲和胎盤發育，但DNA甲基化如何在塑造胎盤形態結構和調控出生體重方面發揮作用仍很大程度上未知。
華南農業大學顧婷副教授團隊先前的研究揭示了受精后21天、28天和35天豬胎胎盤的DNA甲基化譜。本研究首次整合了RNA測序（RNA-seq）和全基因組亞硫酸鹽測序（WGBS），為同窩中不同出生體重仔豬胎盤提供了基因表達和DNA甲基化模式的全面分析。研究強調了DNA甲基化在塑造不同胎盤的轉錄程序中的關鍵作用，可能為DNA甲基化參與調控胎盤發育和仔豬出生體重提供新的見解。相關研究成果于2024年7月13日以“Comprehensive Analysis of Placental DNA Methylation Changes and Fetal Birth Weight in Pigs”（豬胎盤DNA甲基化變化與胎兒出生體重的綜合分析）為題發表在《International Journal of Molecular Sciences》（IF 5.6）期刊上。
研究對三胎杜洛克雌豬的胎盤母體取高出生體重（highest birth weight，HBW）和低出生體重（lowest birth weight，LBW）仔豬胎盤樣本進行WGBS和RNA-seq測序分析，揭示了同窩出生體重最重和最輕仔豬胎盤的整體DNA甲基化和基因表達變化圖譜。轉錄組分析鑒定出1682個差異表達基因，揭示了不同胎盤中的關鍵轉錄特性。研究還鑒定出可能驅動胎盤DNA甲基化模式差異的關鍵轉錄因子，啟動子中DNA甲基化水平降低與與血管生成、細胞外基質重塑和跨膜轉運相關的基因轉錄激活相關。本研究結果揭示DNA甲基化在基因轉錄活性中的調控作用，從而導致胎盤形態結構和仔豬出生體重的差異。這些結果可能為闡明胎盤發育和胎兒生長的潛在調控機制提供新的線索。
研究方法
研究結果
（1）HBW和LBW胎盤形態學特征和基因表達變化
圖1：高出生體重（HBW）和低出生體重（LBW）胎盤之間的形態學和基因表達變化
A. H-E染色觀察HBW和LBW胎盤的形態變化。
B. 直方圖顯示每組胎盤的血管密度。
C. 散點圖顯示出生體重與胎盤重量之間的正相關（樣本數n=13）。
D. 每份樣本基因表達數據的主成分分析（PCA）結果。
E. 基于RNA-seq的DNMTs（DNA甲基轉移酶）和dMTases（DNA去甲基化酶）表達水平熱圖。
F. LBW組與HBW組之間上調或下調差異表達基因（DEGs）重疊。
G. 差異表達基因的分層聚類熱圖。
H. 差異表達基因的Alluvial（沉積物）圖。
（2）差異表達基因的功能富集分析
圖2：差異表達基因的功能富集分析。
A. DEGs的GO富集分析。
B. DEGs的KEGG通路分析。
C. 參與各種過程的基因的GSEA圖。
（3）HBW和LBW胎盤中DNA甲基化組特征
圖3：HBW和LBW胎盤中DNA甲基化組特征。
A. CHG、CHH和CpG位點中甲基化胞嘧啶位點比例（其中H=A、C或T）。
B. 不同胎盤中具有不同甲基化水平的CpG位點總量比例。括號中的比率（甲基化CpG/所有CpG）從左到右分別是0.492708、0.525829、0.505327和0.502685，這些數值反映不同樣本中CpG位點甲基化水平。
C. 每個樣本CpG甲基化數據的主成分分析（PCA）結果。
D-E. HBW和LBW胎盤不同基因組特征（如啟動子、基因體、CpG島等）中CpG的平均甲基化水平。
（4）HBW和LBW胎盤中DNA甲基化譜動態變化
圖4： HBW和LBW胎盤中DNA甲基化譜動態變化：
A. 不同基因組特征上的不同甲基化區域（DMRs）所占比例。
B. Circos圖展示了所有染色體上甲基化分布的情況。從外圈到內圈依次是：基因密度、CpG島、HBW胎盤平均甲基化水平、LBW胎盤平均甲基化水平、高甲基化DMR（hyper-methylated DMRs）、低甲基化DMRs（hypo-methylated DMRs）、HBW胎盤的平均甲基化水平、LBW胎盤的平均甲基化水平。
C. 對啟動子區域DMRs進行轉錄因子（TF）富集分析。
D-E. 展示啟動子區域高甲基化和低甲基化DMRs的GO分析結果。
（5）HBW和LBW胎盤中DNA甲基化與基因表達的相關性
圖5：胎盤DNA甲基化組和轉錄組的綜合分析
A. 富集圖顯示不同表達水平（高、中、低和不表達）Genebody區周圍的DNA甲基化水平。
B. 四象限圖顯示在HBW和LBW胎盤中甲基化水平和表達水平均顯著變化的基因。
C. 對啟動子陰性基因（PNGs）進行GO和KEGG富集分析。藍色：KEGG通路；紅色：GO生物過程。
D. IGV可視化工具展示HBW和LBW胎盤中ITGB1和IL1R2基因的WGBS和RNA-seq軌跡。啟動子DMRs用黃色表示。
E. 對HBW和LBW胎盤中ITGB1和IL1R2基因的啟動子進行亞硫酸鹽特異性PCR（MSP）分析。M：甲基化等位基因；U：未甲基化等位基因。
F. 在PTr2細胞中，5-Aza誘導的去甲基化后選定PNGs的mRNA表達變化。
易小結
本研究首次整合RNA-seq和WGBS技術，對同窩不同出生體重仔豬胎盤的基因表達和DNA甲基化模式進行全面分析。研究結果揭示了DNA甲基化通過調控基因表達來調節胎盤發育，可能最終導致仔豬出生體重差異。表明了DNA甲基化在胎盤發育和胎兒生長中的調控作用，為后續研究提供了新的視角和潛在的生物標記。這項研究為理解出生體重的調控機制提供了重要的生物學見解，可能有助于減少后期生活中的疾病風險，并改進動物生產。
參考文獻：
Tan B, Xiao L, Wang Y, Zhou C, Huang H, Li Z, Hong L, Cai G, Wu Z, Gu T. Comprehensive Analysis of Placental DNA Methylation Changes and Fetal Birth Weight in Pigs. Int J Mol Sci. 2024 Jul 13;25(14) pii: ijms25147702. doi: 10.3390/ijms25147702. PubMed PMID: 39062945.
華南農業大學顧婷副教授團隊先前的研究揭示了受精后21天、28天和35天豬胎胎盤的DNA甲基化譜。本研究首次整合了RNA測序（RNA-seq）和全基因組亞硫酸鹽測序（WGBS），為同窩中不同出生體重仔豬胎盤提供了基因表達和DNA甲基化模式的全面分析。研究強調了DNA甲基化在塑造不同胎盤的轉錄程序中的關鍵作用，可能為DNA甲基化參與調控胎盤發育和仔豬出生體重提供新的見解。相關研究成果于2024年7月13日以“Comprehensive Analysis of Placental DNA Methylation Changes and Fetal Birth Weight in Pigs”（豬胎盤DNA甲基化變化與胎兒出生體重的綜合分析）為題發表在《International Journal of Molecular Sciences》（IF 5.6）期刊上。
研究對三胎杜洛克雌豬的胎盤母體取高出生體重（highest birth weight，HBW）和低出生體重（lowest birth weight，LBW）仔豬胎盤樣本進行WGBS和RNA-seq測序分析，揭示了同窩出生體重最重和最輕仔豬胎盤的整體DNA甲基化和基因表達變化圖譜。轉錄組分析鑒定出1682個差異表達基因，揭示了不同胎盤中的關鍵轉錄特性。研究還鑒定出可能驅動胎盤DNA甲基化模式差異的關鍵轉錄因子，啟動子中DNA甲基化水平降低與與血管生成、細胞外基質重塑和跨膜轉運相關的基因轉錄激活相關。本研究結果揭示DNA甲基化在基因轉錄活性中的調控作用，從而導致胎盤形態結構和仔豬出生體重的差異。這些結果可能為闡明胎盤發育和胎兒生長的潛在調控機制提供新的線索。
研究方法
- WGBS和RNA-seq繪制同窩中最重和最輕出生體重仔豬胎盤的DNA甲基化和基因表達譜。
- 比較HBW或LBW胎盤的形態學特征和基因表達模式。
- GO富集分析、KEGG通路分析、基因集富集分析（GSEA）。
研究結果
（1）HBW和LBW胎盤形態學特征和基因表達變化
圖1：高出生體重（HBW）和低出生體重（LBW）胎盤之間的形態學和基因表達變化
B. 直方圖顯示每組胎盤的血管密度。
C. 散點圖顯示出生體重與胎盤重量之間的正相關（樣本數n=13）。
D. 每份樣本基因表達數據的主成分分析（PCA）結果。
E. 基于RNA-seq的DNMTs（DNA甲基轉移酶）和dMTases（DNA去甲基化酶）表達水平熱圖。
F. LBW組與HBW組之間上調或下調差異表達基因（DEGs）重疊。
G. 差異表達基因的分層聚類熱圖。
H. 差異表達基因的Alluvial（沉積物）圖。
（2）差異表達基因的功能富集分析
A. DEGs的GO富集分析。
B. DEGs的KEGG通路分析。
C. 參與各種過程的基因的GSEA圖。
（3）HBW和LBW胎盤中DNA甲基化組特征
A. CHG、CHH和CpG位點中甲基化胞嘧啶位點比例（其中H=A、C或T）。
B. 不同胎盤中具有不同甲基化水平的CpG位點總量比例。括號中的比率（甲基化CpG/所有CpG）從左到右分別是0.492708、0.525829、0.505327和0.502685，這些數值反映不同樣本中CpG位點甲基化水平。
C. 每個樣本CpG甲基化數據的主成分分析（PCA）結果。
D-E. HBW和LBW胎盤不同基因組特征（如啟動子、基因體、CpG島等）中CpG的平均甲基化水平。
（4）HBW和LBW胎盤中DNA甲基化譜動態變化
圖4： HBW和LBW胎盤中DNA甲基化譜動態變化：
B. Circos圖展示了所有染色體上甲基化分布的情況。從外圈到內圈依次是：基因密度、CpG島、HBW胎盤平均甲基化水平、LBW胎盤平均甲基化水平、高甲基化DMR（hyper-methylated DMRs）、低甲基化DMRs（hypo-methylated DMRs）、HBW胎盤的平均甲基化水平、LBW胎盤的平均甲基化水平。
C. 對啟動子區域DMRs進行轉錄因子（TF）富集分析。
D-E. 展示啟動子區域高甲基化和低甲基化DMRs的GO分析結果。
（5）HBW和LBW胎盤中DNA甲基化與基因表達的相關性
A. 富集圖顯示不同表達水平（高、中、低和不表達）Genebody區周圍的DNA甲基化水平。
B. 四象限圖顯示在HBW和LBW胎盤中甲基化水平和表達水平均顯著變化的基因。
C. 對啟動子陰性基因（PNGs）進行GO和KEGG富集分析。藍色：KEGG通路；紅色：GO生物過程。
D. IGV可視化工具展示HBW和LBW胎盤中ITGB1和IL1R2基因的WGBS和RNA-seq軌跡。啟動子DMRs用黃色表示。
E. 對HBW和LBW胎盤中ITGB1和IL1R2基因的啟動子進行亞硫酸鹽特異性PCR（MSP）分析。M：甲基化等位基因；U：未甲基化等位基因。
F. 在PTr2細胞中，5-Aza誘導的去甲基化后選定PNGs的mRNA表達變化。
易小結
本研究首次整合RNA-seq和WGBS技術，對同窩不同出生體重仔豬胎盤的基因表達和DNA甲基化模式進行全面分析。研究結果揭示了DNA甲基化通過調控基因表達來調節胎盤發育，可能最終導致仔豬出生體重差異。表明了DNA甲基化在胎盤發育和胎兒生長中的調控作用，為后續研究提供了新的視角和潛在的生物標記。這項研究為理解出生體重的調控機制提供了重要的生物學見解，可能有助于減少后期生活中的疾病風險，并改進動物生產。
參考文獻：
Tan B, Xiao L, Wang Y, Zhou C, Huang H, Li Z, Hong L, Cai G, Wu Z, Gu T. Comprehensive Analysis of Placental DNA Methylation Changes and Fetal Birth Weight in Pigs. Int J Mol Sci. 2024 Jul 13;25(14) pii: ijms25147702. doi: 10.3390/ijms25147702. PubMed PMID: 39062945.
標簽：
DNA甲基化
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