绒山羊次级毛囊周期性发育过程关键甲基化基因的表达调控机制研究

Hair renewal features with periodic hair cycles of growth (anagen), regression (catagen) and rest (telogen). This process is controlled by both genetic and epigenetic factors， however, little is known about the regulation of DNA methylation changes during the hair follicle cycling in mammals. This project conducts MedIP-Seq by using the skin samples of cashmere goats from anagen, catagen and telogen stages, in an attempt to identify differentially methylated genes on a genome-wide scale. Key hypermethylated genes, with downregulated gene expression, and were involved in the hair follicle cycling pathways will be identified by integration analysis of DNA methylation and RNA-Seq data, which we have conducted previously. Finally, the function of selected methylated genes will be verified through luciferase reporter assay based on the dermal papilla cell lines derived from cashmere goats. Our results will provide evidence for the regulation of periodic changes of hair development and cycling at the epigenetic level, as well as helpful for manipulating hair and cashmere growth in goats for fiber production.

哺乳动物毛囊的周期性发育过程受一系列遗传因子和表观遗传因子的共同调控，以基因甲基化为主的DNA表观遗传修饰对毛囊周期性发育的表达调控机理尚不清楚。在前期获得的陕北白绒山羊次级毛囊不同发育时期转录组（RNA-Seq）数据的基础上，本项目以生长期、退行期和休止期陕北白绒山羊皮肤为试验材料，借助甲基化DNA免疫沉淀-高通量测序（MeDIP-Seq），构建绒山羊皮肤DNA甲基化谱；通过DNA甲基化数据与转录组数据的联合分析，筛选和鉴定启动子区域发生甲基化且基因表达水平降低，并与绒山羊毛囊发育调控通路相关的关键基因；通过构建荧光素酶报告基因系统，在细胞水平验证基因启动子区CpG岛的甲基化对基因表达的影响，揭示DNA甲基化对绒山羊次级毛囊的周期性发育的表达调控机制。本项目的研究结果对于从表观遗传学水平揭示动物毛囊周期性发育的调控机制具有重要意义，为人工调控山羊绒毛生长提供科学依据。

哺乳动物毛囊的周期性发育过程受一系列遗传因素和表观遗传因子的共同调控，但是以基因甲基化为主的DNA表观遗传修饰对毛囊周期性发育的表达调控机理尚不清楚。根据项目的研究计划书，本项目主要获得了以下研究成果：（1）利用全基因组甲基化测序（Whole Genome Bisulfite Sequencing, WGBS）技术，构建了绒山羊皮肤DNA甲基化谱。（2）共鉴定到1311个在生长期和休止期差异的DNA甲基化区域，这些区域包括了493个注释的差异甲基因化基因。GO富集分析研究结果表明这些差异的甲基因化基因主要与免疫应答和细胞交流相关。（3）用山羊最新的参考基因组(ARS1.0版本)，对项目组前期获得的绒山羊次级毛囊不同发育时期转录组（RNA-seq）数据进行了重新分析，共获得245个差异表达基因；（4）通过DNA甲基化数据与转录组数据的联合分析，筛选到4个与绒山羊毛囊发育调控通路相关的关键功能基因（FMN1、PCOLCE、SPTLC3、COL5A1）；（5）以体外培养的绒山羊皮肤毛乳头细胞为模型，在细胞水平验证了FMN1基因启动子区的甲基化对FMN1基因表达的影响，揭示DNA甲基化对绒山羊次级毛囊的周期性发育的表达调控机制。除此之外，本项目针对与绒山羊次级毛囊周期性发育性过程相关遗传调控内容，还进行了相关拓展性研究，主要包括：（1）以三个绒山羊胚胎期（E60，毛囊分化与形成；E120，大量次级毛囊发育阶段；E150，部分毛囊的成熟期）皮肤为对象，鉴定到大量与次级毛囊分化和形成的相关基因。（2）对8个山羊品种进行重测序，利用杂合度分析的方法，鉴定到22个与山羊毛色、高海拔适应、绒毛性状、体型相关的人工选择基因。（3）利用基于iTRAQ的蛋白质组学技术，鉴定到少量与绒山羊毛和绒样品的差异蛋白，包括与毛发生长相关的蛋白如DSC2、DSG3、EEF2、CALML5、TCHH和SELENBP1。（4）利用全转录组学测序技术，鉴定到173在绒山羊皮肤次级毛囊生长期和退行期差异表达lncRNAs。本项目的研究结果对于从表观遗传学水平揭示哺乳动物毛囊周期性发育的调控机制具有重要的参考价值，同时为从分子水平上人工调控绒山羊绒毛生长提供有力的科学依据。