解析RNA甲基化和DNA甲基化与基因表达的关系

DNA 5-甲基胞嘧啶（5mC）和RNA N6-甲基腺苷（m6A）甲基化是真核生物中最丰富的两种修饰，均在基因调控中发挥关键作用。尽管已有研究报道DNA修饰与RNA修饰互作及其对转录调控的影响，但5mC、m6A与基因表达之间在全基因组范围内的复杂互作网络仍未完全阐明。

2025年，美国密苏里大学Stephanie D McKay和爱达荷大学Brenda M Murdoch团队合作，在《Genome Biology》期刊发表题为“Analyzing the relationship of RNA and DNA methylation with gene expression”的科研成果。研究通过整合全基因组重亚硫酸盐测序（WGBS）和m6A免疫共沉淀测序（MeRIP-seq）等多组学数据，解析了牛和羊两种反刍动物三个组织（胎盘、乳腺、脾脏）中DNA甲基化与m6A甲基化修饰及其与基因表达之间的复杂互作调控机制。研究团队通过构建全基因组的基因内自互作和跨基因互作网络，揭示RNA甲基化对基因表达的调控作用强于DNA甲基化，且基因体内DNA/RNA甲基化对基因表达的作用强于启动子区域。研究结果不仅加强了对基因体/启动子区域不同甲基化类型功能差异的理解，也为妊娠生理、胎盘发育及表观遗传调控机制提供了新的研究视角。

标题：Analyzing the relationship of RNA and DNA methylation with gene expression（解析RNA甲基化和DNA甲基化与基因表达的关系）

发表时间：2025年5月22日

发表期刊：Genome Biology

影响因子：IF10.1/Q1

技术平台：WGBS、MeRIP-seq、RNA-seq

作者单位：美国密苏里大学、美国爱达荷大学

DOI:10.1186/s13059-025-03617-3

研究方法

研究纳入妊娠期牛和羊各4头，分别采集胎盘（caruncle）、乳腺（mammary）和脾脏（spleen）三种组织，共计24个样本。通过WGBS绘制DNA 5mC甲基化图谱和m6A MeRIP-seq捕获RNA m6A甲基化位点，并结合RNA-seq定量基因表达水平。研究采用定性（组织特异性甲基化与表达基因分析）与定量（线性回归及弹性网络回归模型）相结合的策略，构建DNA甲基化（基因体DB/启动子DP）、RNA甲基化（基因体RB/启动子RP）与基因表达（GE）之间的基因内自互作与跨基因互作（across genes）网络，揭示了表观基因组、表观转录组与转录组之间的复杂调控机制。

样本采集：4头妊娠牛和4头妊娠羊采集胎盘、乳腺和脾脏组织，液氮速冻后保存于-80℃。

多组学测序：

WGBS测序：分析DNA甲基化水平和位点。

m6A MeRIP-seq测序：分析RNA甲基化m6A peaks分布。

转录组测序：利用MeRIP-seq的input样本进行RNA-seq分析基因表达水平。

数据分析：

定性分析：鉴定组织特异性甲基化和表达基因。

定量分析：计算甲基化/非甲基化基因中的表达基因比例。

自相互作用分析：线性回归模型分析基因体DNA甲基化（DB）、启动子DNA甲基化（DP）、基因体RNA甲基化（RB）、启动子RNA甲基化（RP）对基因表达（GE）的作用。

跨相互作用分析：弹性网络回归模型分析不同基因间甲基化水平和基因表达的互作。

妊娠相关分析：收集3个非妊娠牛乳腺组织的WGBS和RNA-seq数据进行比较分析。

结果图形

（1）DNA甲基化、RNA甲基化与基因表达的整体图谱

图1：牛和羊三种组织的WGBS、MeRIP-seq、RNA-seq数据分析。

a. 本研究使用的组织及数据集。

b-c. 牛和羊的胎盘、乳腺和脾脏组织中的DNA 5mC甲基化位点。

d-e. 牛和羊m6A甲基化的peak值。

f-g. 牛和羊三种组织中的基因表达水平。

h-i. 牛和羊三种组织生物学重复样本的PCA聚类分析。

（2）牛和羊不同组织DNA甲基化和RNA甲基化的比较分析

图2：三个组织中DNA甲基化和RNA甲基化分布比较分析。

a. 牛和羊染色体上的DNA甲基化和RNA甲基化圈图（A-C:胎盘CpG/CHG/CHH 5mC甲基化水平；D:胎盘中每1Mb bin的m6A peaks数量；E-H:乳腺；U-Y:脾脏；内圈:牛和羊基因组对应关系）。

b-c. 牛基因组功能元件中DN甲基化A和RNA甲基化的分布。

d. 牛和羊所有样本中鉴定的共有motif。 

（3）组织特异性DNA甲基化、RNA甲基化及基因表达的相关基因和相关性

图3：DNA甲基化、RNA甲基化与基因表达的相关性。

a. 牛和羊胎盘组织中的DNA甲基化、RNA甲基化和基因表达的组织特异性基因。

b. 牛和羊胎盘组织特异性基因集的超几何检验。

c. GE、DB、DP、RB和RP中任意两个数据集之间的关联分析。

d. 牛三种组织中DB、DP、RB、RP与GE之间的相关性。

（4）DNA甲基化、RNA甲基化与基因表达的跨基因互作网络

图4：DNA甲基化、RNA甲基化与基因表达的基因内自互作和跨基因互作分析。

a. 牛中DB、DP、RB和RP对GE的正相关性和负相关性。

b. 与GE相关的DB、DP、RB和RP中自互作基因分布。

c. 牛中DB、DP、RB和RP与GE关联的p值分布和Cohen's d指数。

d. DB、DP、RB和RP对GE效应的跨基因互作组合分析。

e. GCM1和ARSI基因的互作网络。

（5）牛妊娠相关基因的DNA甲基化与基因表达互作分析

图5：非妊娠与妊娠样本DNA甲基化和基因表达数据的比较分析。

a. 非妊娠（reg.）和妊娠（pre.）样本乳腺组织中的甲基化位点。

b. 非妊娠和妊娠样本中的甲基化基因。

c. RNA-seq数据评估。

d. 非妊娠和妊娠样本中的表达基因。

e. 非妊娠样本中DNA甲基化与RNA表达的关联分析。

f. GREM1、PODXL、SEC63和IL17D基因的自互作分析。

结论和启示

本研究通过对牛和羊三种妊娠组织的WGBS与m6A MeRIP-seq多组学整合分析，得出以下重要结论：

RNA甲基化（m6A）对基因表达的正向调控效应显著强于DNA甲基化（5mC）。

基因体区域DNA/RNA甲基化对基因表达的作用强于启动子区域，提示基因体甲基化在转录调控中更主导。

DNA甲基化与RNA甲基化在基因体与启动子间存在跨类型负向互作，表明表观基因组与表观转录组通过复杂的区域特异性机制协同调控基因表达。

本研究结果为理解反刍动物妊娠生理、胎盘发育及表观遗传调控机制提供了重要数据资源和理论依据，也为农业动物分子育种和人类妊娠相关疾病研究提供了新的候选基因和调控网络。

参考文献：

Xie S, …, Murdoch BM, McKay SD. Analyzing the relationship of RNA and DNA methylation with gene expression. Genome Biol. 2025 May 22;26(1):140. doi: 10.1186/s13059-025-03617-3.