華大基因等Cell子刊首次全基因組水平解析等級表觀遺傳

　　來自華大基因，紐約大學醫學院，賓州大學醫學院等多處研究機構組成的研究小組發表了題為“Genome-wide and Caste-Specific DNA Methylomes of the Ants Camponotus floridanus and Harpegnathos saltator”的文章，首次從全基因組單核苷酸水平上探究了螞蟻的DNA甲基化與其社會等級分化之間的關系，并深入解析了螞蟻DNA甲基化的特征，這對了解人類社會行為及衰老機制具有重要參考價值。相關成果公布在Current Biology雜志上。

　　文章的通訊作者分別是紐約大學醫學院Danny Reinberg，華大基因國際聯盟動植物項目負責人張國捷，亞利桑那州立大學Jürgen Liebig，以及賓州大學醫學院Shelley L. Berger。第一作者分別為紐約大學醫學院Roberto Bonasio，以及華大基因這一項目負責人李啟業。

　　大約在一個世紀前，我們就知道動物能形成社會等級。1921年，挪威科學家Thorleif Schjelderup-Ebbe在雞中首次發現了這種等級制度。個體社會等級深刻的影響著個體的健康和生活質量，比如配對配偶，食物，以及環境處所的優先權。等級現象很早就會出現——2歲兒童中就會出現等級。

　　這種等級在螞蟻中表現得尤為明顯，這種群居性昆蟲在它們的社會中等級森嚴，分工細致，有專門負責產卵和繁殖后代的蟻后，有負責建造蟻巢、采集食物和飼養幼蟲的工蟻，還有專職與蟻后交配的雄蟻。同一蟻群內的螞蟻個體擁有著相同的遺傳物質，但對于不同等級的個體，它們在行為和形態上差異極大。

　　科研人員推測螞蟻等級分化的過程可能與干細胞分化有點類似，其中表觀調控機制很可能在螞蟻的社會等級分化中起著重要作用。在這篇文章中，研究人員分別對處于不同社會等級和發育階段的佛羅里達弓背蟻和印度跳蟻進行了DNA甲基化研究。DNA甲基化作為一種高等生物中保守的表觀遺傳修飾，在維持基因組穩定性，調控基因表達和介導轉基因沉默等生物過程中起著非常重要的作用。

　　雖然兩種螞蟻在1億多年前就已經分化，但研究人員發現某些與等級分化及發育變化相關的差異甲基化基因在這兩種不同的螞蟻中是保守的，例如與繁殖、端粒維持和非編碼RNA代謝調控等相關的一些基因。

　　研究人員發現在螞蟻的不同發育階段，不僅CpG位點發生了甲基化，而且不少非CpG位點也發生了甲基化。對于這種非CpG位點發生甲基化的情況，過去僅在具有很高甲基轉移酶活性的小鼠和人胚胎干細胞中發現過。研究人員發現幼年蟻和成年蟻中的非CpG位點都發生了甲基化，這暗示非CpG位點甲基化可能與螞蟻的某些重要生物學功能相關。

　　此外，研究人員還發現螞蟻的DNA甲基化多發生在轉錄活躍的基因的外顯子區域，特別是基因的第二個外顯子上。外顯子區域DNA甲基化的差異可能與可變剪切相關，比如外顯子跳躍以及剪切位點的選擇，從而影響到基因表達。

　　除此之外，他們還發現某些基因位點發生了單等位基因甲基化，而且對于個別基因位點，哪個等位基因發生甲基化取決于螞蟻的社會等級。在脊椎動物中，單等位基因甲基化是重要的表觀遺傳學現象——基因組印跡的基礎，但在無脊椎動物中，目前尚未有發現。

　　李啟業表示，深入研究比較這兩種螞蟻不同發育階段不同社會等級樣品的DNA甲基化特征，發現了許多在螞蟻中保守而有趣的甲基化模式，并證實了DNA甲基化調控對螞蟻等級分化的重要作用。

　　“這一項目是繼2010年發表的弓背蟻和印度跳蟻基因組成果后的又一重要研究成果，我們深入研究比較了這兩種螞蟻不同發育階段不同社會等級樣品的 DNA甲基化特征，發現了許多在螞蟻中保守而有趣的甲基化模式，并證實了DNA甲基化調控對螞蟻等級分化的重要作用。后續，我們將會繼續探討其他調控機制，如RNA編輯、非編碼RNA等對螞蟻社會分工的影響。”

　　這是首次在螞蟻中進行的全基因組甲基化研究。由于工蟻和蟻后在行為和壽命等方面均具有顯著的表型多樣性，表觀遺傳調控機制應在決定螞蟻等級分化及其所扮演的蟻群角色中起著關鍵作用。本次完成的首個螞蟻表觀遺傳圖譜有助于深入理解同一蟻群中擁有相同基因組的螞蟻是如何分化成不同的等級。