易基因｜表观发育：ChIP-seq揭示精子H3K4me3可传递到胚胎并与代谢功能障碍遗传有关

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2022年2月17日，《Mol Metab》杂志在线发表了题为“Sperm histone H3 lysine 4 tri-methylation serves as a metabolic sensor of paternal obesity and is associated with the inheritance of metabolic dysfunction”的研究论文，该研究通过转录组测序（RNA-seq）和染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）联合揭示精子组蛋白修饰H3K4me3可能作为一种代谢传感器，通过胞衣将父方的饮食与后代的表型联系起来。

标题：Sperm histone H3 lysine 4 tri-methylation serves as a metabolic sensor of paternal obesity and is associated with the inheritance of metabolic dysfunction（精子组蛋白H3K4me3作为父方肥胖的代谢传感器，与代谢功能障碍的遗传有关）

时间：2022.02.17

期刊：Molecular Metabolism

影响因子：IF 8.568

技术平台：ChIP-seq、RNA-seq

样本实验：ChIP-seq、RNA-seq、表型实验+代谢实验+内脏脂肪库称重、数据分析

背景意义：

全球范围内肥胖和II型糖尿病的流行率增长表明其主要驱动因素是环境而不是基因。接触高脂肪饮食和有毒物质，以及微量元素缺乏，会影响我们和子孙后代的健康。环境和健康之间的一个联系是表观基因组。揭示基因组信息是如何通过表观遗传过程被组织和调控以控制下一代的基因表达和细胞功能，目前仍处于初级阶段。

最近证明，一些表观基因组在核组蛋白水平上的变化可以通过精子传播，从而改变胚胎的基因表达、发育和后代的健康状况。从历史上看，父母的健康和生育主要集中在母方身上，虽然父方的健康和生活方式显然也会影响孩子的健康。精子中的表观突变如何在功能上影响胚胎迫切需要阐明，以防止疾病从父方传给后代。

图形摘要

结果图形

（1）父方肥胖以性别特异的方式诱导代谢表型，这在 KDM1A F1和 F2转基因后代中得到增强。

图1：父系肥胖以性别特异性方式诱导代际代谢表型，在KDM1A后代中增强

（2）父方肥胖与 F0-F1肝脏基因表达改变有关，而独特的基因在 KDM1A 后代(F1-F2)中有差异表达

图2：父方肥胖与 F0-F1肝脏基因表达改变有关

（3）父方饮食诱导的肥胖会扰乱基因表达在不同基因型、性别和世代之间的功能过程

图3：A-C 不同基因型(A) ，性别(B)和世代(C)的GO热图

（4）肥胖与 KDM1A 转基因的种系表达相结合，增加了精子 H3K4me3在代谢和发育相关基因上的差异富集

图4：肥胖改变H3K4me3富集区域的基因组位置，方向性变化和功能

1. WT CON 和 TG HFD的PCA图

B-C. RPKM counts在H3K4me3增加的区域中心上下1KB的分布图（B）和RPKM counts在H3K4me3减少的区域中心上下1KB的分布图（C）

D-E. 从WT CON、WT HFD、TG CON到TG HFD组，H3K4me3富集量线性增加（D）或H3K4me3富集量线性减少（E）的区域中，每个实验组的精子H3K4me3标准化counts中位数的折线图显示出明显的趋势。

F. 启动子上与显著线性趋势相关的区域的GO分析

图5：在H3K4me3水平上，KDM1A过表达和饮食诱导的肥胖在精子表观基因组中的加性效应。

1. WT CON 和 TG HFD的PCA图

B-C. RPKM counts在H3K4me3增加的区域中心上下1KB的分布图（B）和RPKM counts在H3K4me3减少的区域中心上下1KB的分布图（C）

D-E. 从WT CON、WT HFD、TG CON到TG HFD组，H3K4me3富集量线性增加（D）或H3K4me3富集量线性减少（E）的区域中，每个实验组的精子H3K4me3标准化counts中位数的折线图显示出明显的趋势。

F. 启动子上与显著线性趋势相关的区域的GO分析

（5）父方肥胖影响精子H3K4me3，这些区域与植入前胚胎的开放核组蛋白和基因表达相吻合

图6：对肥胖敏感的精子H3K4me3区域发生在开放染色质状态并在植入前胚胎中表达的基因上。

1. 在精子中H3K4me3富集区域和精子中肥胖诱导的deH3K4me3富集区域中心上下游10KB的RPKM counts信号热图
2. 精子中H3K4me3富集基因启动子及饮食敏感基因启动子散点图
3. 与精子中的饮食敏感启动子重叠的在4-细胞（i）或桑椹胚胚胎（ii）中表达的基因 的GO分析

（6）高脂肪饮食改变了精子表观基因组中对胞衣发育有指导意义的区域

图7：肥胖诱导的deH3K4me3区域与H3K4me3标记在滋养外胚层和胎盘中表达的基因重叠。

1. 在精子中富含H3K4me3的区域的中心和在精子中饮食诱导的deH3K4me3的区域的中心上下游5KB的RPKM counts热图
2. 精子、TE和胎盘中富含H3K4me3的区域，仅精子中富含H3K4me3的区域，精子、TE和胎盘中富含H3K4me3的饮食敏感区域，仅精子中富含H3K4me3的饮食敏感区域的GO分析
3. H3K4me3富集基因及饮食敏感基因散点图
4. 与精子中对饮食敏感的启动子重叠的在滋养外胚层(i)或胞衣(ii)中表达的基因的GO分析

结论：

本研究利用染色质免疫共沉淀测序 (ChIP-seq) 和转录组测序（RNA-seq）技术，表明精子 h3k4me3可能作为一种代谢传感器，通过胞衣将父方的饮食与后代的表型联系起来。这种基于非 DNA 的遗传知识有可能提高我们对环境如何塑造遗传力的理解，并可能导致预防疾病的新途径。

关于易基因染色质免疫共沉淀测序 (ChIP-seq) 技术

染色质免疫共沉淀（Chromatin Immunoprecipitation,ChIP），是研究体内蛋白质与DNA相互作用的经典方法。将ChIP与高通量测序技术相结合的ChIP-Seq技术，可在全基因组范围对特定蛋白的DNA结合位点进行高效而准确的筛选与鉴定，为研究的深入开展打下基础。

DNA与蛋白质的相互作用与基因的转录、染色质的空间构型和构象密切相关。运用组蛋白特定修饰的特异性抗体或DNA结合蛋白或转录因子特异性抗体富集与其结合的DNA片段，并进行纯化和文库构建，然后进行高通量测序，通过将获得的数据与参考基因组精确比对，研究人员可获得全基因组范围内某种修饰类型的特定组蛋白或转录因子与基因组DNA序列之间的关系，也可对多个样品进行差异比较。

应用方向：

ChIP 用来在空间上和时间上不同蛋白沿基因或基因组定位

• 转录因子和辅因子结合作用
• 复制因子和 DNA 修复蛋白
• 组蛋白修饰和变异组蛋白

技术优势：

• 物种范围广：细胞、动物组织、植物组织、细菌微生物多物种富集经验；
• 微量建库：只需5ng以上免疫沉淀后的DNA，即可展开测序分析；
• 方案灵活：根据不同的项目需求，选择不同的组蛋白修饰特异性抗体。

易基因科技提供全面的表观遗传学研究整体解决方案，技术详情了解请致电易基因。

参考文献：

Pepin AS, Lafleur C, Lambrot R, Dumeaux V, Kimmins S. Sperm histone H3 lysine 4 tri-methylation serves as a metabolic sensor of paternal obesity and is associated with the inheritance of metabolic dysfunction. Mol Metab. 2022 May;59:101463.

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