基于高通量组学数据的干细胞多能性相关DNA甲基化调控元件识别及其功能分析

DNA methylation, as a dynamic and potentially reversible epigenetic modification, plays important roles in affecting transcription factor binding, regulating gene expression and preserving stem cells' pluripotency. High-throughput omics data have been constantly emerged and promotes genome-wide identification and functional analysis of pluripotency-associated DNA methylation regulatory element. This project is carried out according to following research process: database construction→regulatory element identification→functional analysis. We collect DNA methylation, transcription factor binding sites, histone modifications, and transcriptome data in pluripotent stem cells, and build a multifunctional molecule information repository of stem cells which provides data query, visualization, and analysis. Next, normalized wavelet information entropy is used to develop the algorithm and software for identification of cell-specific DNA methylation patterns. Then we establish a more comprehensive genome map of DNA methylation regulatory element associated with stem cells' pluripotency. Further, we construct a methylation-mediated transcriptional regulation network, and investigate the molecular mechanisms in which DNA methylation assembles cell-specific super-enhancer and regulates pluripotency genes via affecting co-localization of multiple transcription factors by a strategy combining regulatory network analysis and experimental verification. The pluripotency-associated regulatory elements and genes newly identified in this project is an important complement to the stem cells' pluripotency system, and should provide an important reference for the efficient acquisition, effective control and safe applications of pluripotent stem cells.

DNA甲基化作为一种动态可逆的表观遗传修饰，在影响转录因子结合、调控基因表达和维持干细胞多能性中起重要作用。高通量组学数据的涌现促进基因组范围干细胞多能性相关甲基化调控元件的识别及其功能分析。本项目依照数据库构建→甲基化调控元件识别→功能分析的研究思路，基于多能干细胞中高通量甲基化、转录因子结合位点、组蛋白修饰和转录组数据，构建集数据查询可视化分析为一体的多功能干细胞分子信息库；基于归一化小波信息熵开发精确高效的细胞特异甲基化模式识别的算法和软件，并绘制较为全面的干细胞多能性相关DNA甲基化调控元件的基因组图谱；构建甲基化介导的转录调控网络，通过网络分析和实验验证相结合的策略，探讨DNA甲基化影响转录因子共定位结合、组装细胞特异超级增强子及其调控多能性基因的分子机制。本项目新鉴定的多能性调控元件和基因是对干细胞多能性体系的重要补充，为多能干细胞的高效获取、有效控制和安全应用提供重要参考。

DNA甲基化作为一种动态可逆的表观遗传修饰，在影响转录因子结合、调控基因表达和维持干细胞多能性中起重要作用，高通量组学数据的涌现促进了干细胞多能性相关甲基化调控元件的识别及其功能分析，然而其基因组范围的识别仍受限制于高通量数据的整合分析方法。为此，本项目依照数据库构建→甲基化调控元件识别→功能分析的研究思路，首先收集整理了干细胞中的高通量甲基化、转录因子结合位点、组蛋白修饰和转录组数据，构建了集数据查询可视化分析为一体的DNA甲基化资源库和超级增强子数据库（SEA）。基于归一化小波信息熵开发了精确高效的细胞特异甲基化模式识别的算法和软件SMART，并将其应用到 50套人类重亚硫酸盐测序DNA甲基化组数据，对人类基因组进行了功能片段化，识别了人类细胞类型特异的DNA甲基化标记，绘制了较为全面的干细胞多能性相关DNA甲基化标记图谱（Human Methylation Mark Atlas）。在功能研究方面，对组蛋白修饰H3K27ac和转录因子结合位点的分析则揭示了胚胎干细胞特异超低甲基化显著富集了干细胞特异的H3K27ac和转录因子结合位点（如POU5F1），超低甲基化标记与超级增强子之间细胞类型特异性显著重叠，识别了71个胚胎干细胞特异的超低甲基化和超级增强子同时靶向的基因，对这些基因的功能富集分析则揭示了其对发育相关表型的调控，并通过CRISPR/Cas9敲除技术实验证实了超级增强子对基因表达的调控作用。对小鼠DNA甲基化标记的识别分析则表明了细胞类型特异超低甲基化超级增强子的物种间保守性。最后扩展性地识别并分析了异常的DNA甲基化标记对癌症发生发展的作用。总之，本项目识别了新的干细胞多能性相关的DNA甲基化标记，并揭示了其通过影响染色质状态和转录因子结合组装细胞特异超级增强子从而调控多能性基因的分子机制。新鉴定的多能性调控元件和基因是对干细胞多能性体系的重要补充，为多能干细胞的高效获取、有效控制和安全应用提供了重要参考。