大熊猫食物消化与代谢相关通路甲基化修饰研究

Although the giant panda (Ailuropoda melanoleuca) possesses complete carnivore-like digestive system and genetic components for animal food digestion, it still remains enigmatic why this endangered species adopts specialized vegetarian lifestyle. DNA methylation is a senior genetic regulation which can manipulate gene expression and lead significant phenotypic changes by modifying the DNA component of specific region in a genome sequence independent manner. Characterizing the DNA methylation modification related to the food digestion and metabolism may contribute to reveal the contradiction between genome and dietary habit of giant panda. In this study, we will sequence the methylomes of giant panda digestive organs at different ages using whole genome bisulfite sequencing. Subsequently, the genome-wide methylation in stomach, small intestine, liver and pancreas will be profiled followed by methylated region identification. And then the methylation patterns in the pathways that involved in food digestion and metabolism will be confirmed by combined analyzing the transcriptome and microRNA sequencing data. Finally, these organ methylomes of giant panda will be compared with other species such as Ursidae (with different dietary to giant panda) and Procyonidae (with almost identical dietary to giant panda), to elucidate: whether these genes/pathways involved in food digestion and metabolism are silenced or repressed due to methylation modifications and therefore lead giant panda reject the animal foods that containing more energy. The study will provide important epigenetic evidences for insight into the mechanisms of giant panda’s dietary switch and choice.

大熊猫拥有完整的消化动物性食物的消化结构和基因组成，但却变成了几乎完全的素食者，这是一个至今未解的“谜”。甲基化调控是基因组之外的遗传调控，可以通过特定区域的DNA修饰操控基因的表达、改变生物的表型。大熊猫在基因组上无法解释的食性转化是否存在特殊的甲基化修饰，目前还未被探索过。本研究基于全基因组重亚硫酸盐测序技术测序几个不同年龄时期大熊猫食物消化与代谢相关器官甲基化组，绘制小肠、胃、肝脏、胰腺等器官甲基化图谱，鉴定甲基化区域和高密度甲基化位点，结合转录组和microRNA数据，掌握大熊猫食物消化与代谢相关通路甲基化调控特征。通过比较与大熊猫亲缘关系较近但食性不同的熊科动物和亲缘关系较远但在食性选择上有趋同进化的小熊猫相应器官甲基化图谱，进一步揭示大熊猫放弃高能量动物性食物是否由于重要通路中关键基因受到甲基化沉默或表达抑制,为最终破解大熊猫特殊食性转变和食物选择机制提供重要的表观遗传学证据。

大熊猫拥有完整消化动物性食物的消化结构和基因组成，但却变成了几乎完全的素食者。大熊猫消化代谢相关基因表达及调控如何适应这一特殊食性的转化还未见研究报道。甲基化调控是基因组之外的遗传调控，可以通过特定区域的DNA修饰操控基因的表达、改变生物的表型。我们基于全基因组重亚硫酸盐测序技术测序了大熊猫、小熊猫、白极熊和雪貂等物种食物消化与代谢相关器官甲基化组，绘制了大熊猫、小熊猫和雪貂小肠、胃、肝脏、胰腺器官和白极熊肝脏、胰腺器官甲基化图谱，获得了这些器官的甲基化组特征，鉴定了甲基化区域和高密度甲基化位点。通过与人、小鼠、白极熊、犬和雪貂等其他动物比较，结合转录组数据，掌握了大熊猫和小熊猫食物消化与代谢相关通路关键基因的表达及甲基化调控特征。我们发现2种熊猫响应相同食性改变，其食物消化与代谢相关基因的表达与调控是复杂的，既有趋同也各具特点。2种熊猫中碳水化合物代谢相关的基因、赖氨酸、精氨酸和维生素B12和A吸收、氰化氢代谢相关的基因高表达，胆汁分泌与转运、赖氨酸和精氨酸降解、脂质代谢相关的基因低表达，反应了2种熊猫对低脂、高碳水化合物食物的特殊适应。2种熊猫较低的脂质代谢能力和较高的心血管疾病风险，可能与他们对高脂食物低耐受有关。大熊猫中大多数碳水化合物代谢相关的基因低甲基化高表达的，小熊猫中大量的脂肪代谢和赖氨酸降解高甲基化低表达，表明这些基因的表达可能受甲基化调控。与大熊猫不同，小熊猫碳水化合物代谢相关的基因并不低甲基化，表明这些基因的表达有其他的调控机制，相似地，大熊猫赖氨酸降解关键基因并不高甲基化，我们双荧光素酶报告分析也表明，大熊猫赖氨酸降解关键基因的低表达是受转录因子调控的。我们也测序和分析了不同年龄大熊猫重要消化腺-胰腺的miRNA，结合转录组和miRNA的数据分析表明，miRNA可能与大熊猫不同年龄营养利用和代谢调控有关。