细胞分化与重编程过程中DNA甲基化模式异质性研究

DNA methylation plays a key role during stem cell differentiation and somatic cell reprogramming. Numerous efforts have been taken to decipher the epigenetic changes governing these biological processes. With the development of next generation sequencing technologies, large amount of epigenomic sequencing data accumulated rapidly in the past years. More sophisticate tools are highly desired to better understand the methylation information embeded within these large-scale sequencing data. However, the vast majority of previous studies focused on the analysis of methyaltion changes based on the average DNA methylation level. In this study, besides DNA methylation level, we propose to analyze DNA methylation patterns to uncover the heterogeneity of a cell population. More specifically, we are going to evaluate the variations in DNA methylation patterns on genome-wide scale. We aim to assess DNA methylation variations for a large number of genomic loci in different cell populations, including stem cells, iPSCs and differentiated cells. In particular, we will study the DNA methylation patterns of different genomic loci within each cell population, and monitor the dynamic changes in DNA methylation patterns during cell differentiation and cell reprogramming. Our research will generate novel knowledge to understand the links between cellular heterogeneity and the variation in DNA methylation patterns, and will pave a way for further analysis on genomic loci related to cellular heterogeneity. In addition, our research will also extend the methodologies for DNA methylation data analysis.

DNA甲基化修饰在干细胞分化和体细胞重编程过程中起着至关重要的作用。在这些过程中伴随着DNA甲基化状态的改变。前人的研究工作多局限于揭示"细胞群体"内DNA甲基化平均水平的变化，还鲜有从细胞个体之间的差异性（即细胞异质性）角度出发的研究工作。随着高通量测序数据的不断涌现，已迫切需要发展新的分析方法从全基因组水平阐释细胞群体异质性的表观遗传机制。为此，本项目拟采用DNA甲基化模式分析新方法度量细胞群体异质性，结合生物信息学技术进行细胞分化和重编程过程中细胞群体的异质性的动态比较，主要是研究DNA甲基化模式在单个细胞群体内基因组不同区域之间的分布，以及其在各个细胞系间的维系与动态变化等问题，并找出与细胞群体异质性相关的关键的表观遗传标识物。本项目的研究不仅可以为生物学家研究细胞分化和重编程过程中DNA甲基化修饰的生物学功能和表观遗传机理提供新的认识，而且可以丰富DNA甲基化模式的分析方法。

本项目主要研究细胞分化和重编程过程中DNA甲基化模式的特征和动态变化过程，特别是关注细胞群体产生的DNA甲基化模式的异质性，并探究其背后的生物学意义。为了系统地探索这些科学问题，本项目主要研究了以下内容：设计了基于全基因组DNA甲基化测序数据获得DNA甲基化模式的分析框架，并开发了相应的算法软件；在全基因组水平上系统研究了脂肪成体干细胞，分化脂肪细胞及其重编程诱导干细胞的DNA甲基化模式及其它们在不同的基因组功能区域的差异，并分析了DNA甲基化模式与基因表达之间的相互关系；同时还设计了基于DNA甲基化模式信息鉴定与组织、细胞系特异相关的基因的算法流程。本项目的研究工作按照原计划书顺利完成，取得了预期的成果。本项目的研究不仅丰富了DNA甲基化模式的分析方法，也为生物学家理解细胞分化和重编程过程中DNA甲基化的重要作用提供了新的视角。在基金资助下，项目组共发表了7篇论文包括Bioinformatics 2013; BMC Genomics 2014 和Human Molecular Genetics 2015等。其中期刊论文6篇（6篇为SCI 收录），会议论文1篇（CPCI收录）。