The Innovation | 演化表观基因组学：哺乳动物演化的新视角

导 读

DNA甲基化是DNA分子上一种重要的表观遗传修饰，普遍存在于真核生物细胞中。在哺乳动物中，DNA甲基化参与了多种表观遗传调控过程，包括：基因表达调控、转座子抑制、X染色体失活和基因组印记等，在哺乳动物正常的生理、衰老和疾病过程中发挥着重要作用。然而，目前人们对哺乳动物DNA甲基化的认识大多来自对人类或小鼠等模式物种的研究。因此，为了更好地理解DNA甲基化的格局和功能意义，需要以跨越哺乳动物系统发育树的不同类群作为研究对象，从演化的角度系统性探究DNA甲基化在哺乳动物中的保守性、特异性和演化过程。

图1 图文摘要

本研究构建了哺乳动物8个目、13个科具有系统发育代表性物种的全基因组DNA甲基化图谱。其中瓶鼻海豚、马铁菊头蝠、二趾树懒、大赤袋鼠、蜜袋鼯等物种的全基因组DNA甲基化数据为首次发表。利用这些数据，我们发现DNA甲基化在哺乳动物基因组各组分中的分布情况相对保守；而基因启动子的DNA甲基化格局与编码序列的同义替换率及演化速率存在显著相关性。由于基因启动子区的甲基化水平可以调控基因的转录表达活性，这一结果表明基因启动子的表观遗传演化可能与编码序列的分子演化同步发生，从而共同影响基因的功能与表达。

本研究进一步通过比较同源基因在物种间启动子甲基化水平的差异，鉴定了各个物种和类群中发生特异性启动子甲基化水平上调和下调的基因。有趣的是，功能富集分析结果表明，这些谱系特异性的启动子甲基化模式可能与物种特异的表型形成有关，包括：蝙蝠的前肢发育、海豚的肢端发育，以及有袋类的生殖系统发育及胚胎发育等。同时，对非编码区的DNA甲基化比较分析还发现，具有谱系特异性甲基化模式的非编码区可能作为顺式调控元件，协调性地参与了性状形成过程的基因表达调控。以上结果表明，启动子及非编码区的DNA甲基化可能有助于共同建立或维持塑造物种间表型差异的基因调控过程。

此外，本研究系统性地探究了哺乳动物中基因组印记的演化起源、功能及作用机制。哺乳动物的基因组印记是继承自父本和母本的两个等位基因发生差异性表达的现象，受到印记控制区的等位基因差异性DNA甲基化的调控。本研究重塑了88个已知的印记控制区在哺乳动物中的演化历史，并描述了基因组印记在哺乳动物演化中逐步积累的过程。本研究进一步创新性地从头鉴定了13种哺乳动物的潜在印记位点，发现这些潜在印记位点主要位于基因启动子附近，与多个物种中已知的印记表达基因关联。我们发现这些哺乳动物共有的基因组印记通过与特定的转录因子结合，从而在胚胎发育中发挥重要作用；物种特异性潜在印记则更多地参与大脑发育和神经调节等更为具体的生物学过程。以上结果说明，基因组印记在哺乳动物中具有调控胚胎发育的保守功能，并可能随着哺乳动物演化在不同物种中获得新功能。

总结与展望

本研究发现哺乳动物的DNA甲基化在基因分子演化、物种性状形成和基因组印记中发挥重要作用。同时，以DNA甲基化为代表的表观基因组与基因组之间复杂的相互作用对哺乳动物的演化有着重要的影响。因此，我们提出应建立新分支学科——“演化表观基因组学（Evolutionary Epigenomics）”，系统性地在演化尺度上研究表观基因组的组分与特征在物种内部和物种之间的变化，从而形成更统一的现代演化理论。

责任编辑

邵   琪    苏州大学

阚思仪    伦敦大学学院

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00062-0

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第三期以Article发表的“Comparative analysis reveals epigenomic evolution related to species traits and genomic imprinting in mammals” (投稿: 2023-02-26；接收: 2023-04-25；在线刊出: 2023-04-27)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100434

引用格式：Hu Y., Yuan S., Du X., et al. (2023). Comparative analysis reveals epigenomic evolution related to species traits and genomic imprinting in mammals. The Innovation. 4(3),100434.

作者简介

魏辅文，保护生物学家。中国科学院院士，发展中国家科学院院士，欧洲科学院院士。兼任中华人民共和国濒危物种科学委员会常务副主任、中国动物学会副理事长兼秘书长、中国生态学会副理事长。曾获中国科学院杰出科技成就奖，国家自然科学二等奖（排名第一）和国际分子生态学奖（Molecular Ecology Prize）。长期从事濒危动物演化与保护生物学研究，是国际上濒危动物保护基因组学和宏基因组学研究的主要开拓者，率先提出了保护宏基因组学和保护演化生物学新分支学科；呼吁建立海洋国家公园，加强海洋生物多样性研究与保护。相关成果发表在Science, Nature, Nature Genetics, PNAS等期刊上。

http://sourcedb.ioz.cas.cn/zw/zjrc/200907/t20090716_2088462.html

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