分类： 医学研究
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2019年5月，青岛大学医学院学者发表了有关同卵双胞胎肥胖表观调控的研究，该研究中简化甲基化测序由百迈客生物科技有限公司完成，详情如下。

英文题目：DNA methylome profiling in identical twin pairs discordant for body mass index

发表杂志：International Journal of Obesity

影响因子：5.151

合作单位：青岛大学医学院

【研究背景】

糖尿病和心血管疾病是发达国家和发展中国家的常见病症，对生活质量和死亡率有很大影响。这些病症通常与肥胖有关，其体重指数（BMI）是一个重要的衡量指标。以体重除以身高的平方来计算的体重指数（BMI，kg/m2）是体重和肥胖的简单指标。BMI已经被广泛使用，传统的流行病学研究揭示其与环境因素的关联，包括职业、收入和许多其他因素。重要的是，双胞胎研究高遗传率预计高达90％，表明遗传因素对BMI变异的贡献很大。

在过去的十年中，全基因组关联研究（GWAS）发现了常见的遗传多态性与复杂疾病和健康特征（包括BMI）相关的罕见遗传变异。但是，与预估的高遗传率（40-70％）相比，报道的遗传多态性仅解释了有限比例的BMI变异（2-21％）。已经使用DNA甲基化分析进行了大规模表观基因组关联研究（EWAS），但是仅报道了少数显著的基因组位点。有限的发现可能是由于部分控制不良的混杂因素，包括遗传和环境因素。由于同卵双胞胎（MZ）共享基因组成，MZ双胞胎对于疾病或性状不一致，可作为高度遗传性疾病或表型EWAS研究的理想样本。作者基于计算机模拟研究表明，EWAS中不一致的双胞胎研究具有高度丰富的统计检力，特别是对具有高遗传基础的疾病。作者采用RRBS（简化甲基化）测序对30对BMI不同的同卵双胞胎进行了EWAS研究，讨论了肥胖潜在病因。

【研究方法】

  • 样本选择：30对同卵双胞胎，包括15对男性和15对女性，无药物治疗，无诊断疾病（如癌症，心血管疾病，2型糖尿病，精神疾病等），年龄39-72，BMI18.9-37.7。收集全血样本。
  • 测序技术：简化甲基化测序（RRBS）。
  • 验证：Mid-aged Danish Twin (MADT) cohort  229对样本表达数据进行基因验证。

【研究结果】

1、样本情况

表1展示了样本相关人体测量和生化变量的结果。最后一列是每个变量的对内相关性。大多数变量具有相当高的和/或显著相关性，一些显示低或不显著的对内相关性（例如GLU，TG）。下图显示了每对双胞胎的BMI测量值。所有双胞胎都与对角线保持距离，表明BMI测量中的对内不一致。同时，图中的总体模式还表明如表1中报告的BMI的弱配对内相关性（r = 0.307，p = 0.099）。在男性（实点）和女性（空点）双胞胎中没有观察到BMI不一致的性别特异性模式。

2、单个位点EWAS关联分析

基于单个位点的EWAS分析，鉴定出136个CpG（p <1e-04），其中30个CpG（p <1e-05），2个CpG（p <1e-06）。 没有位点达到全基因组显著性（定义为FDR <0.05），最低FDR = 0.195。 图中显示了每个CpG位点的p值与其染色体位置的曼哈顿图（图a）和针对随机预期p值分布绘制的预估p值的Q-Q图（图b）。最显著CpG p值表明与随机分布的偏差及其阴影区域的95％置信区间（图b），说明这些CpG与BMI的非随机关联。

3、生物学通路分析

采用biomaRt，38487个CpG中（P<0.05），23,863个CpG注释到2542个功能基因，基于GSEA在BioCarta 基因集, KEGG 基因集和Reactome基因集富集分析。富集通路相关基因包括参与编码细胞外基质（ECM）相关蛋白，包括ECM糖蛋白、胶原蛋白和蛋白多糖；以及参与神经元系统和发育生物学的基因。富集结果也涉及神经元功能通路，涉及参与化学突触传递，轴突导向和NGF信号传导（神经生长因子）的基因。38,487（p < 0.05）个CpGs采用GREAT分析其富集的调控区域。结果表明15个具有统计学意义（p < 1.072e-10）的生物学功能聚类，涉及胶质细胞再生正负调节（FE:2.49， FE:2.03）、脂质合成负调节（ FE:2.61）、甲状腺发育 （FE:2.83）、视网膜杆细胞发育（FE: 3.54）等。

4、基因组区域注释及利用MADT表达数据验证

采用comb-p矫正p，鉴定出11个FDR<0.1的DMR，其中9个FDR<0.05，位于染色体1、2、3、5、6、9、10和18 。4个有意义的 DMRs (从chr 1:1103393-1103564，chr 1:990300-990641；chr 6:1594287-1594438； chr 10:102026134-102026689 )包含了有显著意义的CpGs 。4个DMR位于基因间区，其余7个注释在9号染色体LINC01503（RNA基因）、5号染色体DPYSL3（与非酒精性脂肪肝相关）, 1号染色体CHD5和AGRN（有研究孕妇体重指数对新生儿血液DNA甲基化的影响）, 2号染色体C1QL2, 10号染色体CWF19L1, 及6号染色体 AKAP12。图中展示了11个DMR的甲基化模式，除了图f和j的DMR与BMI呈负相关外，其余9个DMR与BMI呈正相关。采用Danish双胞胎的基因表达数据，检验了与11个DMR相关的7个基因表达水平与BMI的相关性。LINC01503和AKAP12有显著意义。

【小结】

虽然单CpG位点EWAS没有鉴定出显著性位点，但是功能富集分析结果表明了一些有意义的基因。比如由于BMI不一致引起的DNA甲基化改变可能与发育相关，可能涉及早期事件如低出生体重。10条富集的通路都与细胞外基质(ECM)有关，在细胞外基质中，脂肪组织中的过量沉积会恶化胰岛素敏感性。DMR相关基因也有报道与肝脏脂肪沉积相关。未有显著性位点结果与样本量较少及BMI高遗传判断也有关系。同时研究结果也表明，基于BMI不一致的双胞胎样本研究表观遗传学，可能会高度重视早期生活事件对成年BMI的表观遗传学影响，需谨慎将调查结果推广到非双胞胎人群。

参考文献

Li W, Zhang D ,Wang W, et al. DNA methylome profiling in identical twin pairs discordant for body mass index. International Journal of Obesity, 2019.

 

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