韩敬东组首次描绘线粒体DNA甲基化精确图谱及其特征

来源：BioArt

原标题：Genome Research：韩敬东组首次描绘线粒体DNA甲基化精确图谱及其特征

线粒体DNA上的甲基化首次被发现于19世纪70年代。随后，一系列的研究报道了线粒体DNA上存在着低于核基因组水平的甲基化。但是，线粒体DNA甲基化的存在一直备受争议。一直到2011年，DNA甲基化转移酶DNMT1被发现含有线粒体定位序列（MTS）并且可以进入线粒体内行使DNA甲基化转移酶的功能。

该研究为线粒体DNA甲基化的存在提供了更进一步的证据。随后更多的DNA甲基化相关的酶，DNMT3A、DNMT3B 以及 TET1/2/3，也被发现存在于线粒体内。然而到目前为止，线粒体DNA甲基化精准图谱仍未得到绘制，而对于线粒体DNA甲基化的存在仍在争议。

2019年9月23日，中国科学院上海生命科学研究院计算生物学研究所韩敬东研究组（现单位北京大学）在Genome Research上发表了题为“The strand-biased mitochondrial DNA methylome and its regulation by DNMT3A”的研究论文。

该研究首次描绘了线粒体DNA甲基化的精确图谱以及特征，同时揭示了DNA 甲基化转移酶DNMT3A对线粒体DNA甲基化以及相关基因的转录调控。

在前期的研究中，研究人员在对公共的全基因组甲基化（WGBS）数据进行重分析后发现，不同于核基因组，线粒体DNA甲基化呈现出链特异性，即轻链（L链）上的甲基化水平远远高于重链（H链），并且甲基化主要发生在不对称的非CpG位点。在此过程中，研究人员，综合分析不同的数据类型，包括WGBS,  MeDIP,  MRE-seq等数据，证明所观察到的线粒体DNA甲基化不依赖与所采用的研究方法。其次，分析NUMTs，证明所观察到的线粒体DNA甲基化不是由于核基因组的污染。

最后，分析不同物种，比如斑马鱼、小鼠胚胎发育过程中的WGBS数据，发现线粒体DNA甲基化随胚胎发育过程呈动态变化，表明所观察到的线粒体DNA不是噪音，而是真实存在的信号。此外，研究人员也排除了比对软件，测序深度以及读长覆盖读等可能对线粒体DNA甲基化检测造成影响的因素的影响。

由于大脑皮层中含有高水平的非CpG位点甲基化，而线粒体功能缺失与神经性退行疾病有关。因此，研究大脑中线粒体DNA甲基化意义重大。为此，研究人员收集了不同年龄段的人的大脑皮层样品，提取了线粒体DNA并进行了全线粒体基因组甲基化测序与分析，绘制了精细的人脑中线粒体DNA甲基化图谱，并且分析结果表明线粒体DNA甲基化富集于轻链的非CpG位点且与年龄呈现出显著的负相关。

同时，该研究发现其甲基化水平与基因表达也呈现出负相关。更进一步的观测结果显示，线粒体的DNA甲基化在基因间的边界区域上的5’端与基因表达呈现出负相关，而在3’端呈现正相关，表明这些边界区域的甲基化可能参与了线粒体转录调控的过程。

那么，线粒体DNA的甲基化究竟从何而来呢？在此前的研究中，人们发现DNA甲基化转移酶DNMT3A可以定位于线粒体内，并且维持CpH上的甲基化水平。为证实这一点，在此项研究中，研究人员首先利用免疫荧光和免疫印迹实验证明了DNMT3A在线粒体内的定位。同时，在HEK293T细胞内敲除DNMT3A后，WGBS数据显示位于ND2和CO1基因之间的甲基化峰降低，对应的线粒体基因表达整体上升，并且线粒体的氧化呼吸能力也得到了增强。但是需要注意的是，除了ND2-CO1 之间的甲基化峰之外，其他位点的甲基化并未受到影响，这可能是由其他的DNA甲基化酶的补偿机制引起。为了更好的研究DNMT3A对线粒体DNA甲基化的调控，研究人员在A549细胞内对的DNMT3A进行了过表达。线粒体DNA甲基化水平整体上升，并且链特异性增强。同时，线粒体的氧化呼吸能力减弱，这与DNMT3A 敲除之后所观察到的现象是一致的。

最后，研究人员初步解析了线粒体DNA甲基化的功能。基于研究者发现线粒体基因与基因边界区域上的甲基化可能参与了线粒体转录调控，比如影响线粒体基因的成熟过程。因此，研究人员首先定义了成熟率（maturation ratio）来表征线粒体基因的成熟度。DNMT3A 过表达之后，成熟率整体下降，并且5’端轻链上的DNA甲基化水平的变化与基因的成熟水平的变化呈现显著负相关。这些结果表明位于基因与基因边界上的轻链上DNA甲基化参与了基因的成熟过程，尤其是基因5’端的甲基化水平抑制了线粒体基因的成熟。

原文链接：

https://genome.cshlp.org/content/early/2019/09/19/gr.234021.117