古老活化石鹦鹉螺DNA甲基化图谱揭示无脊椎动物表观遗传进化新线索

《BMC Genomics》：DNA methylation landscape of Nautilus Pompilius

本研究针对无脊椎动物DNA甲基化研究空白，通过对"活化石"鹦鹉螺(Nautilus pompilius)开展全基因组重亚硫酸盐测序(WGBS)，首次系统绘制其DNA甲基化图谱。研究发现鹦鹉螺具有典型的基因体甲基化(gbM)模式，启动子和第一外显子区域呈现低甲基化特征，启动子甲基化与基因表达呈负相关。该研究为理解无脊椎动物DNA甲基化进化提供了重要参考。

　　

在浩瀚的海洋深处，栖息着一种被称为"活化石"的神秘生物——鹦鹉螺(Nautilus pompilius)。这种古老的头足类动物保留了4亿多年前的原始特征，包括独特的外壳和简单的针孔眼结构，成为研究生物进化的珍贵窗口。然而，尽管鹦鹉螺在形态进化研究方面备受关注，科学家们对其表观遗传调控机制，特别是DNA甲基化这一重要修饰方式却知之甚少。

DNA甲基化作为一种关键的表观遗传修饰，在基因表达调控、染色质结构和组蛋白修饰等生物学过程中发挥着重要作用。随着高通量测序技术的发展，研究人员发现不同物种间的DNA甲基化模式存在显著差异。脊椎动物通常表现出全基因组范围的甲基化模式，而无脊椎动物的甲基化景观则更为多样化——有些物种如赤拟谷盗和果蝇甚至完全缺失DNA甲基化机制，而其他如蜜蜂和海鞘等物种则主要呈现基因体甲基化模式。

为了解决这一知识空白，中国科学技术大学和水产科学研究院的联合研究团队在《BMC Genomics》上发表了题为"DNA methylation landscape of Nautilus Pompilius"的研究论文。该研究通过对鹦鹉螺九个不同组织进行全基因组重亚硫酸盐测序，首次系统揭示了这一古老生物的DNA甲基化特征。

研究人员采用的关键技术方法包括：从南海水域采集的鹦鹉螺样本进行多组织DNA提取，通过全基因组重亚硫酸盐测序(WGBS)技术获得甲基化数据，利用同源搜索和系统发育分析鉴定DNA甲基转移酶基因，结合已有转录组数据分析甲基化与基因表达关系，并与其他海洋无脊椎动物（太平洋牡蛎、海葵、海鞘）进行比较基因组学分析。

DNA甲基转移酶(DNMTs)的鉴定与表征

研究团队首先通过同源搜索在鹦鹉螺基因组中成功鉴定出DNMT1和DNMT3基因。这两种甲基转移酶均包含典型的甲基化催化结构域(PF00145)，同时DNMT1还含有DNMT1-RFD、zf-CXXC和BAH结构域，而DNMT3则具有ADD_DNMT3和PWWP结构域。系统发育分析显示，鹦鹉螺的DNMT基因与其他头足类动物（如普通章鱼和双斑章鱼）聚为一支，证实了其进化上的保守性。组织表达分析发现DNMT1在各个组织中广泛表达，而DNMT3则表现出更强的组织特异性。

鹦鹉螺全基因组甲基化水平

通过全基因组重亚硫酸盐测序，研究人员发现鹦鹉螺的全基因组甲基化水平为2.44%，CpG位点的甲基化水平为21.2%，而CHG和CHH背景下的甲基化水平可忽略不计（分别为0.42%和0.39%）。与其他海洋后生动物比较显示，鹦鹉螺的甲基化水平高于太平洋牡蛎(1.71%)和海葵(1.79%)，但低于海鞘(4.62%)以及人类和小鼠等脊椎动物。

基因体甲基化模式

研究发现鹦鹉螺表现出典型的无脊椎动物基因体甲基化特征。基因体区域的甲基化水平高于全基因组平均水平，而启动子区域（转录起始位点上游500bp）和第一外显子则普遍呈现低甲基化状态。特别值得注意的是，启动子与第一外显子的甲基化水平呈强正相关。

DNA甲基化与基因表达的关系

研究人员根据基因表达水平（FPKM值）将基因分为四组进行分析，发现中等表达基因的基因体甲基化水平最高，而未表达基因则呈现中等水平的基因体甲基化。对于表达基因而言，启动子和第一外显子甲基化与基因表达呈负相关。然而，当考虑所有基因时，启动子甲基化与基因表达仅呈现微弱的负相关（Spearman's rho=-0.05），而基因体甲基化则与基因表达呈正相关（Spearman's rho=0.32）。不同组织中特定基因的甲基化与表达关系分析显示，既有显著负相关也有正相关案例，表明甲基化对基因调控具有复杂性。

海洋无脊椎动物甲基化模式的比较

与其他海洋无脊椎动物的比较显示，鹦鹉螺与太平洋牡蛎具有相似的甲基化模式，特别是在基因体区域。相比之下，海鞘则表现出更接近脊椎动物的模式，基因体甲基化水平较低。所有研究的物种均表现出启动子区域低甲基化的保守特征。

组织特异性基因表达与DNA甲基化的关系

研究团队重新分析了鹦鹉螺九个组织的转录组数据，共鉴定出1424个组织特异性基因。令人惊讶的是，这些组织特异性基因在所有基因元件中均表现出显著的低甲基化模式。以套膜特异性基因为例，其在套膜组织中的甲基化水平显著低于其他基因，且这一模式在其他八个组织中也保持一致。

研究结论与讨论部分强调，该研究首次系统揭示了鹦鹉螺的DNA甲基化景观，证实了这一古老生物具有典型的无脊椎动物基因体甲基化特征。特别重要的是，研究发现组织特异性基因普遍呈现低甲基化状态，这一新发现提示基因体甲基化可能参与组织特异性基因表达的调控。与其他海洋无脊椎动物的比较显示，DNA甲基化模式在无脊椎动物中具有高度进化保守性。

该研究的创新之处在于首次对珍稀物种鹦鹉螺进行表观遗传学研究，填补了头足类动物DNA甲基化研究的空白。然而，研究也存在一定局限性，如WGBS技术无法区分5-甲基胞嘧啶(5mC)和5-羟甲基胞嘧啶(5hmC)，样本量有限可能引入个体变异偏差，且缺乏分子生物学实验验证。随着技术发展和更多样本的获取，未来对鹦鹉螺的研究将有助于进一步拓展头足类动物表观遗传学的研究视野。

这项研究不仅丰富了我们对无脊椎动物DNA甲基化进化的认识，也为理解表观遗传调控在生物进化过程中的作用提供了重要见解。作为连接古代和现代生物的桥梁，鹦鹉螺的甲基化图谱为我们探索表观遗传机制的起源和演化提供了独特视角，具有重要的进化生物学意义。