DNA甲基化在泥鳅基因组多倍化中的作用研究

Polyploidization was considered as a major factor contributing to specification in the evolutionary history of flowering plants and vertebrates. Many studies have demonstrated that the formation of polyploids is often accompanied with alteration in DNA methylation, and the patterns of DNA methylation have a close relationship with gene status (gene silencing or gene activation). Most of the studies were focused on allopolyploidy plants. However, in allopolyploidies, gene expression is affected not only by ploidy effects but also by the merging between two different genomes,which is not easy to distinguish. In this study, we'll use the previously induced autotetraploidy Misgurnus anguillicaudatus as the research materials, MeDIP-seq technology will be used to analyse the genome-wide methylation variation between the autotetraploids and its diploid control, and the RNA-seq technology will be used to analyse the gene expression profiles of the different ploidy individuals. And then, the MeDIP-seq and the RNA-seq data will be combined to analyse the regulation role of methylation to gene expression level. Some critical genes whose expressions were regulated by DNA methylation will be selected, and the BSP-seq method will be used to analyses the cytimidine methylation characteristic. The obtained results not only can be the fondation for further researches on roles of epigenetic regulation mechanisms during the M.anguillicaudatus polyploidization, but also provide theory evidences to the molecular evolution mechanism of the duplicate genes during the polyploidization of the vertebrates.

多倍化是生物进化的重要方式，多倍化会导致基因组中DNA甲基化模式变异，DNA甲基化和基因表达之间存在密切的相关性，但目前相关的研究主要集中在植物异源多倍体中，异源多倍体基因表达除受倍性效应调节外，还受异质基因组结合的影响，难以将二者的效应区分开来。本研究以前期培育的、只有倍性变异的同源四倍体泥鳅为材料，用MeDIP-seq和RNA-seq技术构建同源四倍体泥鳅及其二倍体对照的全基因组甲基化图谱和基因表达图谱，分析泥鳅倍性间甲基化变异和基因表达变异。并将MeDIP-seq分析获得的甲基化变异与RNA-seq获得的转录变异相结合，分析DNA甲基化差异与基因表达变化之间的相关性。筛选多倍化过程中受甲基化调控的关键基因，用亚硫酸盐测序法分析DNA甲基化对关键基因表达的调控方式。研究结果为进一步开展泥鳅多倍化中表观遗传调控机制研究奠定基础，同时也为揭示脊椎动物多倍化后重复基因的演化机制提供理论依据。

多倍化是生物进化的重要方式，多倍化会导致基因组中DNA甲基化模式变异，DNA甲基化和基因表达之间存在密切的相关性，但目前相关的研究主要集中在植物异源多倍体中。本研究以二、四倍体泥鳅为材料，围绕DNA甲基化对多倍体泥鳅的基因表达调控作用、分析泥鳅倍性间DNA甲基化变异及其与转录变化间的关系开展研究。主要研究内容及成果包括：用MSAP技术检测了5'-CCGG位点在二、四倍体泥鳅间的变异，发现与二倍体相比，四倍体在甲基化水平及甲基化模式上均发生了明显的变化，差异片段主要为反转录因子、细胞分裂相关基因等；用MethylRAD-Seq技术分析泥鳅的DNA甲基化特点及倍性间的DNA甲基化变异，发现，四倍体泥鳅的整体甲基化水平比二倍体高，尤其是1stExon和TSS1500区，倍性间差异甲基化主要分布于内含子、基因区和基因间区，差异甲基化基因主要与生长发育、免疫及错配修复等相关；用RNA-seq技术分析了泥鳅的基因表达特点及倍性间的基因表达差异，发现倍性间差异表达基因主要富集到Metabolic process和Catalytic activity等通路上，此外，GH-IGFs轴上的部分基因，如GHR、IGF-2、IGFBP-3等在四倍体泥鳅中的表达水平显著上调，这些可能是四倍体泥鳅生长优势的内在的分子机制；基于转录组数据，开发了一组EST-SSRs，其对泥鳅随机样本的倍性鉴定准确率达100%；将WGBS分析获得的甲基化变异与RNA-seq获得的转录变异相结合，分析二者的相关性发现，Promoter区的DNA高度甲基化会导致基因表达显著下降、Gene body的DNA甲基化会促进基因的表达、而外显子-内含子边界甲基化程度的急剧转变影响RNA的选择性剪切；通过全长转录组测序，获得泥鳅的基因集，为后续泥鳅的遗传学和育种学研究奠定了重要的数据基础；分析了GH/IGF-1轴基因、以及IGFBPs在二、四倍体泥鳅中的表达及其与DNA甲基化的相关性，发现这些基因在各自的主要表达组织中，其mRNA的表达水平与其DNA甲基化水平成负相关。本研究结果系统的分析了泥鳅基因组加倍过程中的基因表达水平变异、及DNA甲基化在此过程中的转录调控作用，结果为进一步开展泥鳅多倍化中表观遗传调控机制研究奠定基础。