母性关怀对亚种蜜蜂基因表达和DNA甲基化 [复制链接]

今天，博越致和为大家带来的是一篇年最新发表的涉及转录组和DNA甲基化研究的文章。

一

研究背景

发育可塑性是指生物体在不同环境条件下，从单个基因组中产生多种稳定表型的能力。有研究报道，母性照料的变化与大鼠后代应激反应的变化有关，这种效应通过交叉培养是可逆的，并且由表观遗传信息的变化(如DNA甲基化)介导。

本研究以亚种蜜蜂为模型，分析了被母亲照顾的蜜蜂和无母亲照顾的孤儿蜜蜂的攻击和回避行为，并进行了转录组测序及DNA甲基化测序，分别比较了两组之间的表型和基因调节差异，研究了母亲照料的变化对后代行为和基因调控的影响。

二

材料与方法

取自达拉谟火炬树上的蜂巢，成虫后代羽化之前，花粉团和虫卵一同送到实验室中与整个巢穴一起在室温下饲养。样品分为在母体护理环境中长大的个体和在没有母体护理环境中长大的个体；

圆管法进行行为实验的观察，对只蜜蜂进行了52次圆管实验；

转录组测序，甲基化测序，测序策略：PE；IlluminaHiSeq平台，各三个重复。

三

研究结果

1、孤儿后代表现出更强的攻击性和逃避能力：

通过圆管试验，测试母亲护理对后代行为的影响。对蜜蜂的攻击性和回避行为评分，与在有母亲照料的情况下饲养的蜜蜂相比，没有母亲照料的情况下蜜蜂表现出明显增加的攻击性和逃避行为(图1)。

图1，母体护理存在与不存在的情况下，子代行为比较

2、母亲照料的缺失导致许多转录本变化

通过转录组测序，共找出个(占总基因的13.1%)差异表达显著的基因(图2)。同时，在有母体照护的样本中阳性选择下的差异基因与剔除母体照护时差异表达的基因之间没有显著重叠。

图2，后代转录组差异表达基因火山图

已有研究报道黑腹果蝇大脑葡萄糖代谢的明显变化与黑腹果蝇攻击行为的变化有关，蔗糖代谢也被发现在阿根廷蚂蚁的攻击行为的调节中发挥作用。通过GO(GeneOntology)生物学过程的功能富集分析，作者发现这些差异表达基因涉及到氧化还原反应、几丁质、淀粉、蔗糖代谢过程以及神经功能(亲离子谷氨酸受体信号通路)(表1)。这些与代谢过程相关功能的丰富注释进一步的支持了昆虫的代谢和攻击之间的相互作用。

表1差异表达基因GO生物学过程富集统计表

通过可变剪接产生不同基因的不同类型是一种产生发育可塑性表型的完善机制。作者搜索了在有和没有母亲的情况下培养的个体之间显示出差异外显子使用和其他形式可变剪接的基因，共找到跨越个基因的个差异外显子的使用。使用rMATS选择性地剪接了个基因，这些基因与DEXseq衍生的基因在很大程度上是互斥的（图3）。这些结果表明护理和无护理个体之间的剪接调节的变化。与差异表达基因的结果相似，交替剪接的基因与亚种蜜蜂阳性选择的基因之间没有明显的重叠。

图3，DEXseq和rMATS替代剪接方法产生非冗余交替剪接基因

3、母亲护理的缺失微妙地改变了DNA甲基化

通过甲基化测序，作者观察到亚种蜜蜂甲基化模式与先前产生的许多来自其他膜翅目昆虫分类群的甲基化类似，亚种蜜蜂新产生的甲基化在基因的5端显示出对外显子的偏向（图4D）。这些甲基化基因（5％mCG/CG）的GO生物过程功能富集在核糖体生物发生、翻译和蛋白质折叠，与未甲基化基因相比，不太可能进行阳性选择。这证实了DNA甲基化倾向于本构表达基因，而本构表达基因倾向于强烈的净化选择。

图4，CpG密度(红色)和甲基化水平(蓝色)的基因特征分析

进一步的，作者使用差异甲基化区域（DMR）方法在精细空间尺度上检查了DNA甲基化差异。共鉴定出个DMR，跨越个基因模型，在“母体护理”组的个体中DNA甲基化显著升高（图5）。

图5，差异甲基化火山图

为了验证这些DMRs中存在生物学意义，作者采用了一种自适应的二次赋值方法(QAM)来确定DMRs的数量，如果DNA甲基化在样本类型上随机分布(例如，如果母亲的护理对DNA甲基化没有影响)，将会被发现。结果发现，通过适当的样本分配产生的DMRs数量（）明显高于QAM排列产生的最大DMR数量(65)（图6）。这进一步支持了母体护理本身的缺失导致了DNA甲基化的局部显著改变。此外，通过该方作者估计了个体DMRs发生的可能性(18.5%)，没有发现差异甲基化基因与阳性选择基因之间存在显著重叠。

图6，DMRs数统计

4、转录和DNA甲基化的独立变异

在鉴定了表达、剪接或DNA甲基化发生变化的基因后，作者通过描述基因集合之间的重叠来比较这些过程之间的关系(图7)。结果发现基因甲基化水平与基因表达水平之间存在显着相关性（p0.），没有发现含有DMR基因和差异表达基因之间有超过预期的重叠。同样，含有DMRs的基因与含有可选择剪接事件的基因之间没有显著重叠(p=0.)。这些发现表明，差异DNA甲基化和可选择的剪接或差异表达之间没有一致的、全基因组范围的关联。

图7，差异表达、选择性剪接和差异甲基化基因UpSet图

为了进一步研究DNA甲基化和选择性剪接之间的潜在关系，作者接下来通过寻找bpDMR和各种类型的剪接事件的直接重叠来研究差异DNA甲基化和选择性剪接之间空间一致性的可能性。在分别具有差异甲基化和选择性剪接的8个基因中，有3个基因的DMR直接与差异利用的外显子重叠(图8)，这些基因都代表了亚种蜜蜂中与母体看护相关的基因调控中DNA甲基化局部参与的候选基因。而使用rMATS发现的替代剪接事件中没有一个与DMR直接重叠。

图8，DMR与差异利用的外显子重叠的DEXseq图

四

结论

综上所述，在早期亚种蜜蜂的发育过程中，母亲的移除最终导致后代表现出更强的攻击性和回避行为，表现出拥有超过0个差异表达的基因，数百个交替拼接的基因，以及DNA甲基化的细微变化。确定了可能在发育可塑性和攻击性中起作用的特定功能基因组:碳水化合物代谢基因、氧化还原过程基因和IGR基因。没有观察到差异DNA甲基化与差异基因表达或剪接之间的全基因组关联。

该研究提供了关于母亲护理对后代发育影响的独特见解，并探索了关于DNA甲基化在无脊椎动物类群转录调控中的作用的未被研究的问题。为了解昆虫DNA甲基化的基因调控背景，以及母体护理中的变异影响发育可塑性的分子途径提供了线索。

参考文献：ArsenaultSamuelV,HuntBrendanG,RehanSandraM.TheeffectofmaternalcareongeneexpressionandDNAmethylationinasubsocialbee.[J].NatCommun,,9(1):.

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