脊椎动物进化早期基因组DNA甲基化模式进化及其功能研究

DNA methylation is an important epigenetics mechanism, which involves in the regulation of many biological processes. Its dysfunction can lead to a lot of human diseases such as cancer. Nowadays there are more than 20 sequenced eukaryotic methylomes. They significantly facilitated our understanding of the evolutionary pattern and their biological functions. However, we have little knowledge of methylation pattern and its function during the evolution from invertebrate to vertebrate, due to lacking of crucial species' DNA methylome. For example, as far as the evolution from mosaic to global pattern in DNA methylation is concerned, there is still a large controversy about whether its process is gradual or not. We also little know about the regulation relationship between DNA methylation and gene expression in the early stage of vertebrate evolution. To address such questions, we plan to use second-generation sequencing technology to sequence lamprey's heart and brain methylomes, their mRNA and miRNA transcriptomes, and Ciona intestinalis' heart and brain mRNA and miRNA transcriptomes. Combined with published data, our study will focus on how genome methylation pattern changes in the early stage of vertebrate evolution; how the change of methylation pattern affects gene expression; proposing and testing the epigenetics-regulation hypothesis in the evolution of vertebrate complexity. This study may help us to have more deep understanding about the rugulation mechanism and function of the DNA methylation.

DNA甲基化（DM）是一种重要的表观遗传学机制，参与多种生物过程的调控，它的失调能导致癌症等多种疾病。现已有超过 20 种真核生物的甲基化组已被测序，促进了我们对其进化模式和功能的认识。但是由于缺少从无脊椎动物到脊椎动物进化边缘的关键物种的信息，我们对DM模式在这一阶段的进化过程和功能还了解的很少。例如我们对DM从镶嵌式到全局化模式的进化过程是不是渐变的还有很大争议；对DM调控与早期脊椎动物基因表达调控进化的关系也知之甚少。为解答这些问题，我们计划利用二代测序的方法测定海七鳃鳗心脏和脑组织的甲基化组，mRNA和miRNA转录组，以及玻璃海鞘的心脏和脑的mRNA和miRNA转录组。结合已发表的数据，我们将探究基因组DM模式在脊椎动物进化早期的变化过程；DM模式改变对基因表达的影响；提出并验证脊椎动物复杂性进化的表观调控假说。这一研究将有助于更深入的了解DM的调控机制及功能。

DNA 甲基化（DM）等表观调控机制和基因组倍增可能都对脊椎动物进化早期的基因表达调控及相应的表型复杂性进化有着重要的作用。由于缺少从无脊椎动物到脊椎动物进化边缘的关键物种的信息，我们对DM 及基因表达模式在这一阶段的进化过程还了解的很少。为此，我们测定了海七鳃鳗心脏、骨骼肌和精子的甲基化组。同时测定了海七鳃鳗、玻璃海鞘、五个硬骨鱼心脏的转录组。我们研究了基因组DM 模式在脊椎动物进化早期的变化过程；基因表达谱在这一阶段的进化；DM 模式改变对基因表达的影响；提出并验证脊椎动物复杂性进化的表观调控假说。. 我们对基因编码区，基因间区和启动子区甲基化水平和CpGO/E的分析揭示从无脊椎动物到脊椎动物基因组DM是逐渐增加的，而海七鳃鳗处于居中的水平。此外，大部分的CpG位点的甲基化水平在各个组织中也处于居中的状态， 表明同一组织中不同细胞间DM状态的异质性很大。因此，我们确定海七鳃鳗的基因组DM模式为“全基因组中甲基化”。这一研究将有助于更深入的了解脊椎动物DM 的调控机制及功能。. 我们逐步发展和完善了一套利用基因表达数据研究组织发育与进化机制的理论框架，并开发了综合性的R软件包TreeExp。该软件可以用于基于RNA-seq数据的比较进化分析，如计算基因组表达距离；基因表达进化速率比较等。利用这一软件，我们对二腔室的心脏和四腔室的心脏转录组进行了比较进化分析，发现了各自的特征性表达谱。这使我们对心脏发育进化有了更深入的了解，为后续研究提供了大量有用的资源。. 顺式或反式调控元件的改变是基因表达进化背后的主要驱动力。我们研究了转录因子倍增基因间上下游调控网络的分化。我们发现了转录因子倍增基因间上下游调控网络的不对称进化，下游调控网络较上游调控网络的分化程度更高。进一步研究表明，转录因子倍增基因下游调控环路在基因倍增的早期相较于晚期进化得更快。这一研究为我们进一步的研究转录组的进化，理解脊椎动物进化早期的转录调控网络及相应的表型复杂性进化提供了基础。