比目鱼变态发育期间大脑中 DNA 甲基化的动态重塑

《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Gene Regulatory Mechanisms》：Dynamic DNA methylation remodeling in the brain during flatfish metamorphosis

　　

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  比目鱼变态发育期间，大脑 DNA 甲基化发生动态重塑。
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  多组学揭示了动态的 DNA 甲基化重塑。
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  差异甲基化在变态高峰期达到顶峰。
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  启动子甲基化与基因表达呈负相关。

引言

比目鱼（鲽形目）尽管出生时具有适应中水层环境的形态对称解剖结构，但仍表现出适应底栖环境的能力。大脑作为神经内分泌反应的中央调节器和发育程序的协调者，在介导变态发育所需的生理和行为变化方面发挥着关键作用 [1]。因此，研究大脑中的表观遗传调节提供了一个独特的窗口，以了解分子机制如何驱动比目鱼发育期间的复杂转变。在发育早期，比目鱼经历广泛的表型变化，导致完全不对称的头骨结构 [2], [3], [4]，双眼位于身体的一侧 [5], [6]，行为和运动能力适应海底 [7]。这些变化由甲状腺激素协调和促进 [8], [9], [10]，甲状腺激素触发比目鱼的变态发育。在分子水平上，甲状腺激素通过调节基因表达程序和信号通路发挥作用，从而在变态发育期间驱动组织重塑、细胞分化和器官不对称性。尽管甲状腺激素在变态发育中的重要性已得到公认，但确保变态重塑的分子过程的协调调节机制尚不清楚。在本研究中，我们专门调查 DNA 甲基化动态及其与染色质可及性和转录调节的关系，而不是参与发育调节的全部表观遗传机制谱。在这些分子过程之中，基因调节发挥着基本作用，协调从一个生命阶段过渡到另一个生命阶段时发生的动态转变 [11], [12]。在变态发育期间，比目鱼经历深刻的形态和生理变化。表观遗传机制的复杂相互作用，包括 DNA 甲基化 [13], [14] 和组蛋白修饰 [15] 等染色质修饰，以及染色质重塑 [16], [17]，有助于基因表达模式的紧密调节。这种精确的分子协调确保发育程序的成功推进 [18], [19]，最终导致幼体生活方式和身体构型的确定。

开放染色质指示可及的基因组区域，促进转录因子和调节机制与 DNA 的相互作用 [20], [21]。这使得基因表达的激活或抑制成为可能 [22], [23]。染色质动态与 DNA 甲基化密切相关 [24]。因此，当 DNA 处于甲基化状态时，附近的组蛋白发生去乙酰化，导致染色质紧密并暂时沉默。DNA 胞嘧啶甲基化代表一种关键的表观遗传机制，在脊椎动物的 CpG 背景下对基因沉默具有明显意义 [25]。脊椎动物基因组表现出高水平的 CpG 甲基化，其中一部分未甲基化区域与富含 CpG 的区域重合，指定为 CpG 岛 (CGI)。这些区域主要位于基因启动子上。先前的研究已鉴定出 *Xenopus* 变态发育关键阶段 DNA 甲基化的显著改变，强调了甲基化在此过程中的基因调节网络中的关键作用 [26]。尽管如此，尽管对不同比目鱼物种的变态发育进行了广泛研究，但比目鱼变态发育的表观遗传调节仍然研究不足，特别是关于表观遗传与转录活性的相互作用。

因此，获取染色质甲基化和结构图谱的信息以了解其在基因表达调节中的作用至关重要。在本研究中，我们调查了潜在的分子过程。使用整合的多组学方法，我们结合了鲆鱼 (Scophthalmus maximus) 大脑三个关键阶段（变态前、变态高峰期和变态后）的染色质可及性、DNA 甲基化和基因表达数据。作为神经内分泌反应对甲状腺激素的中央调节器以及底栖生活所需的感官和运动适应的介导者，大脑为调查变态过渡的表观遗传调节提供了一个独特的框架。

我们的分析鉴定出在变态高峰期开放染色质内的差异甲基化区域 (DMRs)，其中很大一部分这些 DMRs 与 CpG 岛共定位。我们还检测到在该阶段具有中间甲基化水平 (% mCG/CG?≈?50%) 的不同基因组区域，表明与变态过程相关的瞬时表观遗传重塑。此外，在转录起始位点 (TSSs) 附近的启动子近端区域观察到 DNA 甲基化与基因表达之间的负相关关系。

总的来说，这些发现提供了关于比目鱼变态发育期间基因表达动态表观遗传调节的新见解，并强调了 DNA 甲基化动态与变态发育期间大脑发育重塑之间的关联。

章节片段

动物管理与样本收集

本研究使用的新生鲆鱼 (Scophthalmus maximus) 在标准商业条件下养殖，由 Insui?a S.L., Grupo Nueva Pescanova (西班牙蓬特韦德拉) 提供。鱼类由公司的训练有素的人员在特定发育阶段收集。所有实验程序中使用的个体数量经过确定，以确保统计稳健性，同时遵循最小化动物使用的原则。变态阶段是根据形态学

比目鱼变态发育期间全基因组 DNA 甲基化动态

为了研究比目鱼变态发育潜在的调节机制，比较了鲆鱼三个关键发育阶段（变态前、变态高峰期和变态后）的全基因组 DNA 甲基化图谱。测序每个大脑样本平均产生 2400 万个单端读段，与最新的鲆鱼基因组组装 (ASM1334776v1) 的平均比对率为 91.87?±?1.41%。RRBS 分析每个样本鉴定出 120 万至 220 万个 CpG 位点，

讨论

变态发育代表一个涉及快速且深刻的形态和生理变化的复杂生物过程。在脊椎动物中，这些转变由下丘脑 - 垂体 - 甲状腺 (HPT) 轴协调，该轴调节甲状腺激素 (TH) 的生产和释放 [10], [45]。THs 在控制细胞增殖和分化方面发挥中心作用，最终在变态发育期间驱动组织的结构重塑 [46], [47]。通过这

结论

我们的结果表明，动态 DNA 甲基化重塑与比目鱼变态发育期间发生的发育过渡相关。整合 DNA 甲基化、染色质可及性和转录组学分析揭示了与形态发生和神经元重塑相关的协调分子变化，尽管这些关系不应被解释为因果关系。相反，本研究提供了一个全面的描述性框架和一个宝贵的资源

CRediT 作者贡献声明

Laura Guerrero-Pe?a: 写作 – 初稿、验证、方法论、调查、形式分析、数据整理。 Paula Suarez-Bregua: 写作 – 初稿、监督、调查、概念化。 Núria Sánchez-Baizán: 写作 – 审查与编辑、验证、数据整理。 Francesc Piferrer: 写作 – 审查与编辑、验证、资源。 Juan J. Tena: 写作 – 审查与编辑、方法论、调查、概念化。 Josep Rotllant: 写作 – 审查与编辑，

关于写作过程中生成式人工智能和人工智能辅助技术的声明

在准备这项工作期间，作者 (s) 在写作或准备本手稿时未使用生成式 AI 或 AI 辅助技术。

资金

本研究资金来自 MCIN/AEI/10.13039/501100011033 资助编号 AGL2017-89648P 和 PID2021-1236511OB-100 授予 JR，以及"ERDF A way of making Europe"。L. Guerrero-Pe?a 得到了西班牙 FPI 研究培训计划提供的博士前奖学金支持，资金来自 西班牙经济与竞争力部，资助编号 (PRE2018-085475)。

竞争利益声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，可能被认为影响了本论文中报告的工作。

致谢

作者感谢 Pablo Touri?an、Ricardo Tur 和 Pablo García-Fernández，他们维护了实验动物并在采样期间提供了协助。

Laura Guerrero-Pe?a|Paula Suarez-Bregua|Núria Sánchez-Baizán|Francesc Piferrer|Juan J. Tena|Josep Rotllant