光周期通过下丘脑DNA甲基化与基因表达动态调控绵羊季节性繁殖的机制研究

为解决光周期调控绵羊季节性繁殖的表观遗传机制问题，研究人员开展了针对去卵巢雌二醇处理（OVX+E2）绵羊下丘脑的全基因组DNA甲基化和转录组整合分析。研究首次绘制了单碱基分辨率甲基化图谱，发现光周期诱导的DNA甲基化变化具有动态可逆性，且与基因表达呈负相关（P<0.01）。关键通路如突触发育、甲状腺激素信号和昼夜节律通过甲基化调控下丘脑功能，为哺乳动物光周期依赖性繁殖调控提供了表观遗传新视角。

　　

在温带和极地地区，大多数哺乳动物通过季节性繁殖策略适应环境变化，确保后代存活。绵羊作为典型的短日照繁殖动物，其繁殖活动受光周期（每日光照时长）的精确调控，但背后的分子机制尚未完全阐明。近年来，表观遗传修饰尤其是DNA甲基化被证实是环境信号与繁殖性状关联的关键桥梁，然而光周期如何通过下丘脑DNA甲基化动态调控季节性繁殖仍缺乏系统研究。

为解决这一问题，贺晓云团队在《BMC Genomics》发表了针对苏尼特绵羊下丘脑的多时间点光周期干预研究。研究人员利用去卵巢并植入雌二醇硅胶管（OVX+E₂）的绵羊模型，模拟体内雌激素稳态环境，通过人工控制光照条件（短日照SP:8h光照/16h黑暗；长日照LP:16h光照/8h黑暗），在光周期切换后0、3、7、15、21、42天共7个时间点采集下丘脑组织。整合全基因组重亚硫酸盐测序（WGBS）和转录组数据（RNA-seq），首次构建了绵羊下丘脑单碱基分辨率甲基化图谱，并系统分析了光周期诱导的DNA甲基化动态变化及其与基因表达的调控关系。

研究采用的关键技术包括：1）OVX+E₂绵羊模型建立与光周期控制（SP转LP）；2）下丘脑组织全基因组DNA甲基化测序（WGBS）与单碱基甲基化位点检测；3）差异甲基化区域（DMRs）分析（DSS软件）；4）转录组数据整合与甲基化-表达关联分析；5）GO与KEGG富集分析（基于人类同源基因注释）。

全基因组甲基化图谱揭示CG型甲基化主导模式

研究发现下丘脑甲基化以CG序列类型为主（占总甲基化位点76.15%），且启动子区甲基化水平与基因表达呈显著负相关（P<0.01）。 motif分析显示不同序列类型（CG/CHG/CHH）的甲基化位点侧翼序列具有特异性（例如PLCB1基因的甲基化分布模式）。

光周期诱导DNA甲基化呈现动态可逆变化

DMRs分析表明，从SP转为LP后，超甲基化DMRs数量先增后减，而低甲基化DMRs呈相反趋势，转折点出现在第15天（SP-LP15）。甲基化水平在SP-LP15时最低，随后逐渐回升，表明光周期调控的甲基化变化具有可逆性。染色体分布显示DMRs集中于内含子和重复区域。

启动子甲基化与基因表达显著负相关

整合分析发现，启动子区甲基化水平与DMR相关基因（DMRGs）表达呈负相关（相关系数-0.19至-0.12），而基因体区无显著关联。光周期切换后第7–15天是甲基化调控表达的关键窗口期。

突触与节律通路基因受甲基化调控

190–393个DMRGs与差异表达基因（DEGs）重叠，这些基因富集于突触发育（如丝足组装、突触囊泡循环）、甲状腺激素信号通路和昼夜节律调控通路（谷氨酸能突触、多巴胺能突触、昼夜节律 entrainment）。SP-LP15后神经元突触组织相关术语（轴突发育、突触后密度）显著富集，表明光周期通过甲基化激活下丘脑神经可塑性。

该研究首次揭示光周期通过动态可逆的DNA甲基化调控下丘脑基因表达，关键通路涉及突触可塑性、甲状腺激素信号和昼夜节律。甲基化转折点（SP-LP15）与已知的催乳素浓度变化时间点吻合，为哺乳动物光周期响应提供了表观遗传学证据。研究成果为绵羊季节性繁殖的 hypothalamic–pituitary–gonadal axis (HPGA) 轴调控机制提供了新资源，并对理解环境-表观遗传-繁殖性状的互作具有普遍意义。