易基因：人类tRNA基因位点表现出与衰老相关的DNA高甲基化｜研究文章

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目前，科研人员已经发现了各种与年龄相关的DNA甲基化变化，包括在单个CpGs水平上的差异甲基化和可变甲基化，以及在整个甲基组水平上的变化。今天为大家带来一篇与衰老相关的DNA甲基化研究，该研究成果于2021年5月11日以“The genomic loci of specific human tRNA genes exhibit ageing-related DNA hypermethylation”为题在《Nat Commun》（IF 17.694）杂志上在线发表。

标题：The genomic loci of specific human tRNA genes exhibit ageing-related DNA hypermethylation

时间：2021-05-11

期刊：Nature Communications

影响因子：IF 17.694

技术平台：MeDIP-seq、Target-BS、450K、RRBS分析等

摘要：

表观基因组已被证明随着年龄的增长而恶化，这可能会影响与衰老相关的疾病。tRNA虽然仅产生~46 kb（<0.002%基因组），但它是第二丰富的细胞转录本。tRNA还通过核心翻译（core translational）和其他调节作用调控已知影响衰老的代谢过程。在本研究中，作者研究了人类tRNA基因组位点的DNA甲基化状态，鉴定了与年龄相关的DNA高甲基化在tRNA基因组位点富集。对4350份人外周血样本（16-82岁）的DNA甲基化进行MeDIP-seq测序分析，分别在研究和全基因组意义上鉴定出44和21个高甲基化特异性tRNA。验证和重复实验（450k芯片和独立的靶向甲基化测序(targeted Bisuphite-sequencing)）支持该结果。尽管在tRNA-iMet-CAT-1-4和tRNA-Ser-AGA-2-6中发生强烈的一致信号，但组织特异性是一个重要的驱动因素，与主要的细胞类型变化无关。本研究对人类基因组tRNA基因DNA甲基化状态进行了全面分析，揭示了随年龄增长而谨慎高的甲基化（discreet hypermethylation）机制。

材料和方法：

 

结果：

（1）tRNA基因组位点的DNA甲基化（DNAm）随年龄增长而变化

由于tRNA在翻译中的关键作用以及它们在衰老和长寿相关通路中的调节证据，作者研究了这些基因以获得与衰老相关的表观遗传变化证据。4350个外周血样本的甲基化DNA免疫沉淀测序（MeDIP-seq）产生的DNA甲基化数据集，通过对200-500bp甲基化片段的富集区域进行DNA甲基化评估（500bp半重叠窗口）。

图1：tRNA位点与衰老相关的DNA甲基化变化（16个研究范围内血细胞类型校正后显著，p< 8.36×10-5)

（2）与年龄相关的DNA高甲基化在tRNA基因组富集

尽管衰老相关变化在整个DNA甲基化组中普遍存在，但这种情况在tRNA基因中发生强烈富集（Fisher精确检验p=1.05×10-27）。

图2：年龄相关的高甲基化在与基因组背景相关的tRNA基因中富集，解释了CpG密度。

图3：单个tRNA基因中与年龄相关的tRNA基因DNA高甲基化

a/b：tRNA-iMet-CAT-1-4(a)和tRNA-Ser-AGA-2-6/tRNA-Ile-AAT-4-1(b)的MeDIP-seq结果(血细胞类型校正模型)显示出与衰老相关的DNA高甲基化

图4：将新生儿与百岁老人进行比较，可看到年龄相关高甲基化tRNA，且按比例分布在主要tRNA基因簇中。

a 没有明显的衰老相关tRNA簇。

b 在Heyn等人的全基因组重亚硫酸盐测序(WGBS)数据中，涵盖研究范围内的主要tRNA基因（n=14/16）在百岁老人中的甲基化水平高于新生儿或成年人（26岁）。

（3）靶向重亚硫酸盐测序（Target-BS）对与年龄相关的变化进行独立重复实验

为了进一步强支持这些与衰老相关的变化结果，作者在独立的衰老数据集中进行重复实验。采用靶向重亚硫酸盐测序（Target-BS）验证MeDIP-seq结果。Target-BS数据提供了单独的CpG分辨率，以确定可能导致观察到的区域DNA甲基化变化原因，并对变化幅度进行精确定量。对190个个体的4个时间点（~4,~28,~63,~78岁）的8个年龄匹配的血液DNA进行Target-BS测序（表1），Target-BS可以检测大量单个tRNA基因DNA甲基化。

表1：4、28、63和78岁的4个时间点，在8个Pool中总共有190名参与者

图5：靶向重亚硫酸盐测序（Target-BS）比较年龄相关的高甲基化tRNA基因与密切相关的tRNA基因

表2：MeDIP-seq 模型中前6个tRNA年龄组间成对差异甲基化测试结果

（4）DNA甲基化450k芯片数据验证了MeDIP-seq结果

图6：450k芯片显示tRNA基因A中与年龄相关的DNA甲基化变化

（5）衰老相关的tRNA位点显示增强子相关染色质特征增加

作者进一步研究了血液中公共染色质数据（Epilogos血液和T细胞集）中的tRNA基因活性。结果表明，与其他tRNA中更强的启动子相关位点（TSS）相比，tRNA基因随年龄高度甲基化的增强子相关（Enh、EnhBiv和EnhG）染色质状态比例更高。然而这些特征在其他tRNAs中不太常见。与其他tRNA基因相比，年龄相关高甲基化tRNA在增强子染色质状态下富集（Fisher精确检验p=0.01)。

图7：不同血细胞类型的tRNA基因DNA甲基化

（6）小鼠表现出与年龄相关的 tRNA 基因DNA高甲基化

作者对Petkovich等人的简化重亚硫酸盐测序（RRBS）实验数据进行分析，研究了小鼠tRNA基因的DNA甲基化。152只小鼠的数据覆盖了51个tRNA基因和QC后的385个CpG位点。51个tRNAs基因中有3个基因随年龄增长呈现明显DNA甲基化变化（p<1.08×10−4），且都处于高甲基化状态。这三个基因是tRNA-Asp-GTC-1-12，tRNA-Ile-AAT-1-4，tRNA-Glu-TTC-1-3。

 图8：小鼠RRBS数据中3个tRNA基因CpG的DNA甲基化，随年龄显著高甲基化

易基因小结

虽然衰老的表现是晚年生活的一个特征，但与年龄相关的甲基组变化表明，潜在的细胞和分子变化开始得更早，甚至在发育期间也是如此。可以说，老化的甲基组最令人震惊的特征是DNAm改变普遍跟时间顺序的一致性，暗示着我们细胞内存在一个分子时钟。然而，生物老龄化的图景远未完成。

弄清楚老化的甲基组并不是一件容易的事情。它需要应用计算工具，准确地分析和解释在整个寿命周期内变化的多功能DNAm标记。尽管面临挑战，但我们仍处于重大科学发现的边缘，需要多个领域的研究人员进行广泛的合作努力，分享想法和数据，共同推动老龄化领域向前发展。

易基因科技提供全面的DNA甲基化研究整体解决方案。

参考文献：

Acton RJ, Yuan W, Gao F, Xia Y, Bourne E, Wozniak E, Bell J, Lillycrop K, Wang J, Dennison E, Harvey NC, Mein CA, Spector TD, Hysi PG, Cooper C, Bell CG. The genomic loci of specific human tRNA genes exhibit ageing-related DNA hypermethylation. Nat Commun. 2021 May 11;12(1):2655.

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