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Title：Leveraging DNA-Methylation Quantitative-Trait Loci to Characterize the Relationship between Methylomic Variation, Gene Expression, and Complex Traits 期刊：AJHG 发表日期：2018.10.25 往期回顾 上期为大家介绍了使用甲基化芯片对卵巢癌细胞系进行最全面的分子分析。本期为大家介绍一篇对DNAm的遗传结构进行了全面评估并确定常见遗传变异与特定DNAm位点（mQTL）之间关联的好文。 背景介绍 DNA甲基化（DNAm）是胞嘧啶的表观遗传修饰，参与介导基因表达和功能的发育调控，以及转基因过程，如基因组印记和X染色体失活。虽然常被视为转录机制抑制，DNAm和基因表达之间的关系是高度复杂的，并没有完全理解。各种研究包括脑，全血，胰岛细胞和脂肪组织在内的组织已经确定了常见DNA序列变体与DNAm之间的广泛联系。这些DNAm数量性状基因座（mQTL）主要是顺式作用，富含调节染色质结构域和转录因子结合位点，并已显示与基因表达数量性状基因座（eQTLs）共定位。使用mQTL和其他类型的分子QTL对解释与人类特征相关的常见遗传变异的功能后果有相当大的兴趣，特别是因为参与介导表型变异的实际基因不一定是最接近的。值得注意的是，GWAS变体富含开放染色质的增强子和区域，强化了大多数常见遗传风险因素影响基因调控而非直接影响转录蛋白编码序列的假设。我们最近扩展了一种基于方法-汇总数据的孟德尔随机化（SMR）的使用，该方法最初与表达数量性状基因座（eQTL）数据结合使用，以使用mQTL数据优先化GWAS指定基因座的基因。我们随后使用SMR方法通过使用公开的全血基因eQTL数据来鉴定DNAm和可变基因表达之间的多效关系。 使用Illumina EPIC阵列识别的其他mQTL关联 我们针对Illumina EPIC阵列上的766,714个DNAm位点测试了5,210,475个推定的遗传变异，并通过了我们严格的QC标准。我们在2,907,234个遗传变异体和93,268个DNAm位点之间鉴定了12,689,548个显着的mQTL关联（图1A）。在更宽松的“发现”阈值（p <1×10-10），我们确定了3,281,391个遗传变异和114,595个DNAm位点之间的总共17,051,673个mQTL关联。 ∷ Figure 1DNA-Methylation Quantitative-Trait Loci Are Predominantly cis-Acting and Enriched in Sites at Which DNAm Is Highly Heritable mQTL关联主要发生在已知受遗传因素影响的位点的顺式和影响DNAm 与先前研究的结果一致，我们发现大多数mQTL关联（n = 11,679,376; 92％）发生在顺式，定义为mQTL SNP和DNAm位点之间的距离≤500kb的情况。（图1A）。此外，在顺式mQTL关联中，随着遗传变体和DNAm位点之间的距离减小，显着性和效应大小都增加。总体而言，DNAm与mQTL变体相关的位点比例随着从双胞胎分析得到的估计的加性遗传影响而增加（图1B）。  近端DNA甲基化位点共享遗传关联 类似于近端遗传变异体之间存在的LD关系，DNAm水平通常在位于近端的DNAm位点之间相关。我们研究了对多个DNAm位点的共同遗传效应是否是这种区域相关性的基础结构体。使用贝叶斯共定位方法来询问所有DNAm位点对，其特征在于位于彼此250kb内并且与至少一个重要的mQTL变体相关联。DNAm位点与遗传效应共享至少一个其他DNAm位点与三个其他DNAm位点的中位数共定位，表明遗传变异与顺式DNAm之间存在复杂关系。例如，图2表明染色体9含有广泛的基因组区域（> 400kb），其中跨越7个基因的38个DNAm位点具有共同的潜在遗传信号。值得注意的是，这些DNAm位点不是连续的;位于该区域内的少量遗传介导的DNAm位点不共享相同的mQTL信号。  ∷ Figure 2 Shared Genetic Architecture between Neighboring DNA-Methylation Sites DNAm QTL具有用于改进复杂性状的GWAS信号的效用 在GWAS分析中鉴定的遗传变异很少指出蛋白质编码变化。相反，它们被假设影响基因调控，因为它们富含调节基序，包括增强子和开放染色质区域。使用调控QTL来改进遗传关联信号并优先考虑扩展基因组中的潜在因果基因有相当大的兴趣。为了优先考虑每种复杂性状的基因，我们对相关DNAm位点的基因位置进行了表征。所鉴定的多效性关联中的1,269（76.3％）涉及位于基因内或距转录起始位点不到1500bp的DNAm位点；该速率显着高于我们的SMR分析中测试的所有DNAm位点。为了进一步探索577个基因和32个复杂性状之间发生的这些多效性关联，我们扩展了我们的SMR分析，以纳入公开可用的全血基因eQTL（n = 5,311个体）数据集。表达我们鉴定的232（40.2％）基因与eQTL变异显着相关，我们用它们来测试基因表达水平和GWAS性状之间的多效性关联。例如，图3突出显示LIME1和克罗恩病的调节和表达之间的关联；这种关联得到了包含mQTL和eQTL数据的SMR分析的支持。  ∷ Figure 3Summary-Data-Based Mendelian Randomization (SMR) Analysis Using Quantitative Trait Loci Associated with DNA Methylation (mQTL) and Gene Expression (eQTL) Implicates a Role for LIME1 in Crohn Disease DNAm与基因表达之间的多效性关联 为了识别DNAm和基因表达之间的关联，我们将SMR方法应用于被确定为与我们的“发现”显着性阈值的mQTL相关的DNAm位点，该阈值位于由Westra生成的eQTL数据集中包含的基因表达探针的兆碱基内。结果表明，尽管大部分基因的表达与DNAm位点相关，但并非所有DNAm位点都与顺式基因表达相关。有趣的是，与基因表达多效相关的DNAm位点在基因体和基因的转录起始位点中富集并且在遗传上耗尽。其中DNAm与5'UTR位点的基因表达呈负相关，与启动子DNAm经常抑制基因表达的假设一致。 使用QTL数据优化与DNAm位点相关的基因注释 表观遗传流行病学的一个关键挑战涉及DNAm位点的基因注释;这种注释对于重要的EWAS协会的生物学解释至关重要。 DNAm位点通常基于邻近来注释特定基因，尽管该方法对于推断下游转录效应有效的程度尚不清楚。在已确定的DNAm与基因表达之间的多效性关联中，我们选择了DNAm位点不是基因间的实例。即，距离基因的转录起始位点<1500bp并且发现这些是注释到相同的基因，其表达水平与其相关的表达水平远高于与另一基因表达水平显着相关的DNAm位点。总的来说，虽然DNAm网站的基于邻近度的注释在许多情况下似乎是合适的，但我们发现了明显的例外情况。例如，图4A显示位于染色体16上的NARFL体内的DNAm位点cg00331210与该基因的表达无关，但与位于7.9千碱基的FAM173A基因无关。同样地，图4B显示位于CLDN7基因体内的DNAm位点cg00072720与该基因的表达无关，但与染色体17上的两个其他基因（ACADVL和ELP5 / C17ORF81）的表达无关。  ∷ Figure 4Regional Plots Demonstrating the Complex Relationship between Gene Expression and DNA Methylation as Identified by SMR 索要全文请发邮件至小淼邮箱 （marketing@biomiao.com ）联络。  小编心得： 在本研究中，作者对DNAm的遗传结构进行了全面评估，并通过使用Illumina EPIC阵列确定了常见遗传变异与特定DNAm位点（mQTL）之间的关联。显示在相邻DNAm位点上存在许多共享遗传信号的实例，并且这些关联围绕基因和CpG岛构建。此外，作者报道这些对DNAm的共同遗传效应通常与DNAm位点之间的正相关性有关。这对于特征相关的差异甲基化区域（DMR）的研究具有意义，因为它表明与表型变异的关联可以是遗传介导的。 尽管发现与基因表达相关的大多数DNAm位点位于基因体内或靠近转录起始位点，但是存在许多关系，其仅在物理接近的基础上挑战常用的基因注释。此外，尽管大多数基因的表达与一个或多个DNAm位点相关，但并非所有DNAm位点都与基因表达相关，这意味着可变DNAm并不总是对基因表达有影响。 虽然作者只能测试具有显着mQTL的DNAm位点与具有显着eQTL的基因表达之间的关联，但研究结果提供了一种潜在有效的方法来注释EWAS的结果，特别是在假设DNAm对基因表达的影响并且候选者是推进转录分析。  根号三 撰文 本文为博淼生物原创 |
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