急性热暴露对DNA甲基化动态的影响揭示了加热、剂量和恢复过程对鹿角珊瑚（Acropora cervicornis）的影响

《Journal of Thermal Biology》：DNA Methylation Dynamics in Response to Acute Thermal Exposure Reveal the Influence of Heating, Dose and Recovery in the Staghorn Coral Acropora cervicornis

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　　在人类世，生态系统的生存受到环境变化的严峻挑战，这使得我们不得不思考适应性的时间尺度是否能够跟上我们快速变化的气候（Malhi et al., 2020; Martin et al., 2023）。面对不适宜的环境条件，生物体可以选择迁徙或通过生理变化来适应（Brandon, 2014）。适应性生理反应可以通过表型可塑性、遗传进化或两者的结合来实现（Aitken et al., 2008; Zhu et al., 2012）。这些生理变化在一定程度上受到表观遗传机制的调控，而表观遗传机制在某些生物中被发现能够影响基因表达和调控，从而促进适应（Skinner, 2015）。鉴于气候变化对生态系统造成的严重性和快速性，研究适应性表观遗传机制及其时间动态性成为预测易受影响物种在日益加剧压力下生存能力的重要手段（Carneiro & Lyko, 2020; Hofmann, 2017; Yen et al., 2024）。

表观遗传修饰包括DNA甲基化、组蛋白后翻译修饰以及小RNA等。这些机制在响应环境信号时相互作用，共同调节表观基因组，从而影响下游基因表达和调控，并且这种调节通常是可逆的（Eirin-Lopez & Putnam, 2019; Feil & Fraga, 2012; Miryeganeh, 2021）。例如，在某些生物中，基因上游或基因内部的表观遗传修饰被发现能够影响转录的启动，并改变或抑制基因表达（Adrian-Kalchhauser et al., 2020）。重要的是，环境触发的表观遗传标记在可预测的环境条件下会被强化，从而形成细胞应激记忆，这种记忆可能成为快速适应的基础（Oberkofler et al., 2021）。

近年来，研究者们关注到环境对表观遗传机制的影响能够诱导快速变化。如果这些变化被保留下来，就会形成环境记忆，进而促进长期适应，甚至在不同世代之间传递（即适应性）。环境应激记忆指的是生物体在经历非生物胁迫后形成的一种记忆机制（Hackerott et al., 2021; Hilker & Schmülling, 2019）。环境变化的记忆似乎与基因表达和表观遗传机制的变化有关，而不是基因突变（Bellantuono, Hoegh-Guldberg, et al., 2012; Majerová & Drury, 2022; Mirbahai & Chipman, 2014），已有研究表明某些胁迫因素能够导致可遗传的表观遗传标记（Fitz-James & Cavalli, 2022; Liew et al., 2020; Putnam et al., 2020; Putnam & Gates, 2015）。尽管已经识别出与环境记忆相关的多种机制，但对于触发这些变化所需的具体剂量、变化发生的速度以及这些变化是否会被保留或遗忘的问题，仍然知之甚少，尤其是在非模式生物中。

目前，大多数生物中研究最多的表观遗传机制是DNA甲基化（Eirin-Lopez & Putnam, 2019; Hofmann, 2017）。这种修饰主要发生在胞嘧啶与鸟嘌呤相邻的位置（即CpG位点），而环境如何影响DNA甲基化的动态变化仍然是一个活跃的研究领域。在无脊椎动物中，基因内部的DNA甲基化通常与基因表达呈正相关（Gavery & Roberts, 2014; Wang et al., 2014），尤其是在维持管家基因的稳定表达方面（Gavery & Roberts, 2014）。然而，这种关系并非严格线性。近期的研究发现，具有相似DNA甲基化景观的细胞类型之间存在显著的转录差异（de Mendoza et al., 2020; Gatzmann et al., 2018; Harris et al., 2019）。关于无脊椎动物DNA甲基组的镶嵌性是否用于调控基因或转座子（即基因体甲基化）的表达，或者是否用于抑制或促进转录因子与DNA的结合，仍然存在争议（Moore et al., 2013）。此外，也有研究提出DNA甲基化可能作为一种基因组防御机制，防止寄生虫感染（Dimond & Roberts, 2016; Regev et al., 1998; Ying et al., 2022）。转座子已被发现是DNA甲基化的靶点，因此有观点认为CpG位点的DNA甲基化可能在进化过程中发展为一种基因组保护机制（Ying et al., 2022）。

我们对表观遗传机制在缓解气候变化影响方面的潜力仍然存在诸多疑问：首先，表观遗传修饰的时间动态性如何？其次，胁迫剂量如何影响这些修饰的后果？了解这些机制运作的速度以及触发变化所需的胁迫程度对于判断这些反应是否能够跟上全球变暖的速度至关重要。

珊瑚礁可能是受气候变化威胁最严重的生态系统之一。尽管它们在全球范围内的占地面积较小（Lyons et al., 2024），但它们支持着地球上超过10亿人的生计（Sing Wong et al., 2022）。然而，珊瑚礁仍然面临由人类活动引起的气候变化和其他胁迫因素的显著下降（Klein et al., 2024）。六放珊瑚（即通常所说的珊瑚）构成了珊瑚礁的物理结构。由于珊瑚礁的重要性，大量研究集中于理解珊瑚的适应性和相关机制（Hackerott et al., 2023; Hughes et al., 2010; Putnam et al., 2017）。珊瑚是固着、寿命较长的生物，其寿命可以达到数十年甚至数百年，并且经常暴露于盐度、温度、光照以及其他非生物因素的高环境变异性中（Carilli et al., 2012; Coles & Jokiel, 1992; Edmunds et al., 2018; Koweek et al., 2015; Schoepf et al., 2015）。有大量证据表明，珊瑚在不同时间尺度上存在环境应激记忆（Bellantuono, Granados-Cifuentes, et al., 2012; Brown et al., 2014; Hackerott et al., 2021; Majerová et al., 2021; Martell, 2023; Middlebrook et al., 2008）。然而，珊瑚如何在短时间内快速响应环境变化的机制仍然不完全清楚。

在珊瑚中，DNA甲基化似乎与维持转录稳态有关（Liew et al., 2018）。考虑到珊瑚是共生生物，其基因组经历了多次寄生事件，形成了复杂的共生关系（Bhattacharya et al., 2016; Stanley, 2003），因此DNA甲基化可能同时起到调控维持稳态相关基因和提供基因组保护的作用。此外，有观点认为缺乏生殖细胞中的DNA甲基化能够促进随机变化，从而增强表型可塑性（Roberts & Gavery, 2012）。珊瑚基因组的DNA甲基化变化已被归因于环境营养和温度条件、海洋酸化、季节循环以及对新环境的适应（Dimond & Roberts, 2016, 2020; Hackerott et al., 2023; Putnam et al., 2016; Rodríguez-Casariego et al., 2018, 2022, 2024）。与其它无脊椎动物相似，珊瑚基因组的DNA甲基化呈现双峰模式，表现为管家基因的高甲基化和可诱导基因的低甲基化（Dimond & Roberts, 2016）。后者似乎与某些珊瑚物种在温度和海洋酸化胁迫下的基因表达差异有关（Dimond & Roberts, 2016）。因此，观察到的基因对环境扰动反应较弱的DNA甲基化现象支持了这种表观遗传修饰在环境变化下调控转录可塑性的观点（Dimond & Roberts, 2016; Dixon et al., 2018）。

目前，关于珊瑚表观遗传机制的研究主要集中在早期生活阶段的环境预适应（例如，Liew et al., 2018; Putnam et al., 2016）或遗传的表观遗传标记作为跨代快速适应的基础（例如，Dimond & Roberts, 2020; Liew et al., 2020）。尽管现在看来，环境驱动的DNA甲基化变化与珊瑚表型可塑性之间的联系已经显现（Hackerott et al., 2023），但仍有许多问题未解，例如这些表观遗传修饰如何被环境塑造，以及在个体生命周期内更短的时间尺度上发生的表观遗传变化是否会影响生物体的性能。更具体地说，胁迫强度和持续时间在触发和强化DNA甲基化修饰中的作用仍不清楚，尤其是在某些阈值之上，修饰可能更持久甚至变得永久（即细胞记忆）。本文旨在通过研究热胁迫剂量对DNA甲基化的影响，以及由此引发的修饰的洗出动态性（即是否被保留或消失），来解决这些未解问题。

为此，我们研究了在不同热胁迫剂量下珊瑚的DNA甲基化特征，并在短时间内进行了观察，包括在暴露后立即进行的观察（1天和2天），以及在环境温度下8天的恢复期后的观察。我们量化了急性热暴露后DNA甲基化状态的比例，以及甲基化和去甲基化转换的频率。急性加热导致的DNA甲基化特征变化表现出剂量独立性，并且这些变化在一周内被洗出。

为了更好地理解这些变化，我们采用了一种新的方法来区分“无靶标”和高甲基化，从而保留了更多的信息性位点，这得益于实验设计（即所有基因型均存在于所有处理和时间点中）。此外，我们还展示了归一化的甲基化状态转换，以更清晰地呈现这些变化。我们的研究结果表明，急性热暴露在珊瑚中能够引发快速的DNA甲基化变化，这些变化在暴露后的短时间内即可显现，但随后在恢复期中迅速消失。这表明DNA甲基组具有动态性，能够迅速适应环境变化，但急性暴露引发的修饰可能不会长期保留。我们的研究为理解珊瑚在面对环境变化时的表观遗传响应提供了重要的证据，也为预测其适应性和生存能力提供了基础。