【摘要】：表觀遺傳學(xué)修飾在細(xì)胞發(fā)育、分化以及癌癥等疾病中具有關(guān)鍵的作用,其中DNA甲基化是最重要的表觀修飾之一。已有研究表明,DNA甲基化在植物免疫、人類心血管疾病、動(dòng)脈粥樣硬化、自閉癥、神經(jīng)退行性疾病以及腫瘤治療和腎臟老化等方面都起到非常重要的作用。因此研究全基因組DNA甲基化圖譜對(duì)于解析DNA甲基化的分布、作用機(jī)制以及DNA甲基化與相關(guān)疾病的作用關(guān)系具有非常重要的意義。本文針對(duì)全基因組DNA甲基化數(shù)據(jù)開展了以下幾方面的工作:1.DNA甲基化數(shù)據(jù)精準(zhǔn)比對(duì)分析流程軟件的開發(fā);2.DNA甲基化數(shù)據(jù)中SNP檢測(cè)工具的開發(fā);3.DNA甲基化單倍型組裝以及等位差異DNA甲基化區(qū)域檢測(cè)工具的開發(fā);4.DNA甲基化分析流程軟件在實(shí)際水稻數(shù)據(jù)中的應(yīng)用。目前,DNA甲基化研究過(guò)程中至關(guān)重要的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是DNA甲基化檢測(cè)技術(shù)以及DNA甲基化數(shù)據(jù)分析工具的開發(fā)。當(dāng)前主流的能夠檢測(cè)全基因組單位點(diǎn)DNA甲基化水平的測(cè)序技術(shù)是全基因組重亞硫酸鹽測(cè)序技術(shù)。所以開發(fā)相對(duì)應(yīng)的針對(duì)全基因組重亞硫酸鹽測(cè)序數(shù)據(jù)且簡(jiǎn)便易用的DNA甲基化數(shù)據(jù)分析流程軟件是非常必要的。DNA甲基化數(shù)據(jù)分析中最主要的分析包括DNA甲基化數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)比對(duì)、DNA甲基化單位點(diǎn)水平計(jì)算、基因以及轉(zhuǎn)座子等功能元件中的DNA甲基化水平計(jì)算、DNA甲基化可視化以及DNA甲基化差異分析。針對(duì)以上幾部分DNA甲基化數(shù)據(jù)分析模塊,本研究開發(fā)了與之對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序-BatMeth2,并展示在本文第二章節(jié)中。BatMeth2會(huì)生成一個(gè)HTML報(bào)告文件,直觀的展示了分析的結(jié)果,以方便對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果的查看。DNA甲基化數(shù)據(jù)由于經(jīng)過(guò)了亞硫酸鹽的處理,未甲基化的胞嘧啶位點(diǎn)會(huì)被轉(zhuǎn)換為胸腺嘧啶,因此這將很大程度上增加DNA甲基化數(shù)據(jù)中檢測(cè)SNP(單核苷酸多態(tài)性)的難度。本文第三章中介紹了本研究中開發(fā)的一款在DNA甲基化數(shù)據(jù)中檢測(cè)SNP的軟件-BSsnpcall,該軟件結(jié)合DNA甲基化與SNP的所有信息并通過(guò)設(shè)計(jì)新的貝葉斯(Bayes)算法來(lái)完成SNP的檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果顯示BSsnpcall檢測(cè)到的SNP數(shù)目比目前常用的兩款軟件高10%,準(zhǔn)確率高5%-25%,并且所需要的運(yùn)行時(shí)間分別只是其他兩款軟件的1/2以及1/70。等位基因是同源染色體上相同位置控制相對(duì)性狀的一對(duì)基因。等位基因差異表達(dá)不僅僅存在于X染色體,例如基因印記,而且同樣存在于常染色體,對(duì)常見的疾病發(fā)生和治療具有非常關(guān)鍵的作用。DNA甲基化是影響等位基因差異表達(dá)的關(guān)鍵因素。本文第四章節(jié)中介紹了本研究中提供的一款DNA甲基化結(jié)合SNP完成單倍型組裝以及等位差異DNA甲基化檢測(cè)工具-MethyHaplo。結(jié)果表明:1)結(jié)合DNA甲基化信息和SNP信息完成的單倍型組裝長(zhǎng)度是僅通過(guò)SNP信息進(jìn)行單倍型組裝長(zhǎng)度的大約10倍;2)通過(guò)將MethyHaplo軟件檢測(cè)得到的等位差異DNA甲基化基因與等位差異表達(dá)基因以及已知的印記基因進(jìn)行重合度比較,結(jié)果顯示數(shù)據(jù)之間具有較高的重合度,表明MethyHaplo檢測(cè)結(jié)果的可靠性;3)等位差異DNA甲基化在全基因組范圍內(nèi)主要分布在外顯子區(qū)域,并且在基因轉(zhuǎn)錄起始位置有明顯富集;4)等位差異DNA甲基化主要富集在高表達(dá)基因上,并且在與轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)的組蛋白修飾區(qū)域有更高的分布;5)等位差異DNA甲基化在等位差異CTCF區(qū)域有顯著富集,并且等位差異DNA甲基化水平與等位差異CTCF水平呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)分布。本文第五章節(jié)中介紹了DNA甲基化分析流程軟件在水稻數(shù)據(jù)中的實(shí)際應(yīng)用。通過(guò)使用BatMeth2分析了水稻中幾種DNA甲基化酶突變體中的DNA甲基化的變化情況。研究結(jié)果表明:1)水稻中CG、CHG DNA甲基化主要分布在異染色質(zhì),而CHH甲基化更多的分布在常染色質(zhì)。2)DNA甲基化酶OsDRM2主要負(fù)責(zé)水稻中的CHH DNA甲基化。3)染色質(zhì)變構(gòu)因子OsDDM1a/1b主要負(fù)責(zé)水稻中的CHH DNA甲基化。4)OsDRM2通過(guò)調(diào)控MITEs(Miniature Inverted-repeat Transposable Elements)上的CHH DNA甲基化來(lái)調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)。5)DNA甲基化酶OsDDM2與OsDDM1能夠共同調(diào)控水稻中的CHH DNA甲基化。根據(jù)DNA甲基化數(shù)據(jù)分析中的實(shí)際需求,本研究開發(fā)了DNA甲基化數(shù)據(jù)分析流程軟件、DNA甲基化中SNP檢測(cè)工具以及DNA甲基化單倍型組裝工具,最后本研究將開發(fā)的軟件BatMeth2在水稻數(shù)據(jù)中做了應(yīng)用分析。
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：Q811.4
【圖文】：

是指在不改變 DNA 序列的情況下，基因表達(dá)和功能出目前常見的表觀遺傳學(xué)修飾主要包括 DNA 甲基化、組非編碼 RNA調(diào)控等(Allis and Jenuwein 2016; Chen et作用，共同調(diào)控了細(xì)胞發(fā)育(Altun et al 2010; Sheaffer 狀態(tài)(Bock et al 2012; Khavari et al 2014)以及癌癥等疾l 2018)。在人類基因組中，線性 DNA 被高度壓縮形成本結(jié)構(gòu)單位是核小體，是由 DNA 纏繞在組蛋白（染色核小體包括一個(gè)組蛋白八聚體，該八聚體由兩個(gè)組蛋）組成。在人類基因組中，大約 80%的 DNA 纏繞組蛋的 DNA 連接相鄰的核小體。核小體會(huì)進(jìn)一步被壓縮形al 2004; Lai andPugh2017)。不改變 DNA序列的情況下）或者組蛋白（H3K27me3、H3K27ac 等修飾）上發(fā)生結(jié)構(gòu)改變是表觀遺傳的主要形式（如圖 1.1）。

甲基化催化酶（DNMT）作用下，催化胞嘧啶被 S-腺苷甲硫氨酸甲基化的過(guò)程and Esteller 2010)ethylation at 5 position of cytosine, catalyzed by DNMT, in the presence of S-ademethionine (SAM) (Kulis and Esteller 2010) 甲基化酶基化修飾可以影響基因的表達(dá)水平，并且 DNA 甲基化對(duì)基因的作用化修飾在基因上的位置不同而發(fā)揮不同的作用。在人類中，通常發(fā)生A 甲基化修飾是能夠促進(jìn)基因表達(dá)的，與之相反，如果 DNA 甲基化動(dòng)子范圍內(nèi)，通常是能夠抑制基因表達(dá)的（如圖 1.3 實(shí)例所示）(Var and Jenuwein 2016)。而在其他修飾元件上的 DNA 甲基化同樣根據(jù)修不同的作用 (Ikeda and Nishimura 2015; Bell et al 2016; Or owska et al 2

基化催化酶（DNMT）作用下，催化胞嘧啶被 S-腺苷甲硫氨酸甲基化的過(guò)and Esteller 2010)thylation at 5 position of cytosine, catalyzed by DNMT, in the presence of S-amethionine (SAM) (Kulis and Esteller 2010) 甲基化酶基化修飾可以影響基因的表達(dá)水平，并且 DNA 甲基化對(duì)基因的作修飾在基因上的位置不同而發(fā)揮不同的作用。在人類中，通常發(fā) 甲基化修飾是能夠促進(jìn)基因表達(dá)的，與之相反，如果 DNA 甲基子范圍內(nèi)，通常是能夠抑制基因表達(dá)的（如圖 1.3 實(shí)例所示）(Vnd Jenuwein 2016)。而在其他修飾元件上的 DNA 甲基化同樣根據(jù)同的作用 (Ikeda and Nishimura 2015; Bell et al 2016; Or owska et a

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 孫穎;葛鋒;劉迪秋;陳朝銀;;植物中DNA甲基化模式及其相關(guān)機(jī)制[J];植物生理學(xué)報(bào);2011年08期

2 郭廣平;袁金玲;吳曉麗;顧小平;;DNA甲基化在植物研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景[J];植物遺傳資源學(xué)報(bào);2011年03期

本文編號(hào)：2761143