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Title：Epigenetically dysregulated genes and pathways implicated in the pathogenesis of non-syndromic high myopia 期刊：Scientific Reports 发表日期：2019.3.11 上期为大家介绍了利用DNA甲基化定量性状基因座来表征甲基变异，基因表达和复杂性状之间的关系。本期为大家介绍一篇公共卫生领域较为关注的利用全基因组甲基化芯片识别与高度近视相关的基因并介绍了近视和眼睛生长模式的一些病因的文章。 文章摘要 近视，是全世界视力残疾的最常见原因之一。虽然不同种族的患病率不同，但全球所有人群的近视发病率都在增加。因此，它被认为是一个紧迫的公共卫生问题。遗传和环境都在近视的发展中起作用。为了阐明高度近视病理生理学的表观遗传机制，我们使用Illumina MethylationEPIC BeadChips阵列对18例和18例匹配对照（4-12岁）进行了甲基化分析。受试者的近视程度可变，范围从-6到-15D。我们鉴定了1541个高甲基化的CpG，代表1745个基因（2.0倍或更高）（（FDR）p≤0.05），多个CpGs p <5×10-8，其中接受者操作特征区域在曲线下（ROC-与对照组相比，高度近视患者的AUC）≥0.75。其中，48个CpG具有良好的相关性（AUC≥0.90）。在本文中，我们在独特的高度近视组群中呈现第一个全基因组DNA甲基化分析，显示相对于对照的广泛且不连续的甲基化变化。我们鉴定的基因作为单独或组合的新型治疗干预的靶标具有显着的潜力。 我们在1745个独特基因中鉴定了1541个CpG位点，与没有高度近视的对照相比，在高度近视的受试者中差异甲基化（2.0倍或更高）。所有基因都是高甲基化的，没有观察到具有显着低甲基化的CpG位点。基于FDR校正的p值，倍数变化和高度近视检测的AUC的最显着的差异甲基化CpG位点的详细列表显示在补充表S1中。总共48个胞嘧啶基因座具有极高的准确度（AUC≥0.90），用于检测高度近视。阳性'％甲基化变化'值表示与对照样品相比高度近视受试者甲基化的平均增加。在1541个独特靶标中，基于倍数变化的前10个高甲基化靶标是： cg26526312（LINGO1），cg27541540（PTPN11），cg00609363（ZNRD1），cg24877391（PEX13; PUS10），cg21790796（KIF20A; BRD8），cg14282407（TRAPPC1; CNTROB），cg18191664（ERLIN2），cg08048517（KIAA0528），cg10646633（ZNF224）和cg14694176（TCEA1）。四个AUC ROC结果测量的结果显示在图1中。 ➧ Figure 1 (A–D) Receiver operating characteristic curve analysis of methylation profiles. ROC analysis for four excellent CpG sites [(A) cg12711743: LRRC8C; (B) cg05367846: MICAL3; (C) cg00765710: PGBD2; and (D) cg16232979: TPM4]. At each locus, the FDR p-value for methylation difference between myopia subjects and controls was significantly different. ROC: Receiver operating characteristic; AUC: Area Under Curve; 95% CI: 95% Confidence Interval. 使用β值对于高度近视组和对照之间显示差异甲基化的常见甲基化基因进行分层聚类。 在聚类分析中使用与对照组相比在近视受试者中显着高甲基化的20个靶基因。 这20个靶标以两个不同的簇显示，表明甲基化与高度近视个体中这些基因的表达改变有关（图2）。 PCA结果显示PCA分布3D图（PCA 3D，图3）中高度近视样本和对照样本集之间完全分离。 群集数据与PCA相关。 ➧ Figure 2 Heatmap and hierarchical clustering of myopia cases based on DNA methylation. Heat map showing hypermethylation variation in myopia cases compared with controls. The Heat map in hierarchical clustering analysis represented DNA methylation levels from completely methylated (red) to unmethylated (green). ➧ Figure 3 Three dimensional PCA (PCA 3D). 差异甲基化基因的功能与通路分析 差异甲基化基因的功能富集分析显示在图4中。这些基因中有42％属于转录结合活性类别，其次是38％具有功能催化活性的基因。 最小的类别代表具有翻译调节活性的基因，包括1％的鉴定基因。 Ingenuity Pathway Analysis在概率值≤0.01时确定了10个与高度近视基因富集相关的重要经典信号通路。 鉴定的经典信号传导途径包括：Wnt /β-连环蛋白信号传导，胰岛素受体信号传导，蛋白激酶A信号传导，肌动蛋白细胞骨架信号传导，ILK信号传导，Rho家族GTP酶信号传导，IGF-1信号传导，阿片样物质信号传导途径，轴突导向信号传导， 和G蛋白偶联受体信号传导（图5）。
识别近视标记物方面的可重复性 我们已经鉴定了先前被认为与近视相关的基因中的差异甲基化，例如PAX6，ZNRF3，PSEN1，SOCS1，GRB2，ADCY3，RGS5，SRF和AP1B1。之前显示PAX6的多种变异与近视相关。ZNRF3被鉴定为屈光不正和近视（CREAM）研究联盟中的一个基因座，在本研究中也被鉴定为高甲基化基因。先前在患有后皮质萎缩和近视患者的PSEN1中观察到突变，并且我们在本研究中鉴定了该基因的甲基化。在近视患者的角膜细胞中观察到SOCS1的差异表达，SOCS1缺陷型小鼠发生严重的眼病。在RPE细胞中，SOCS1高表达抑制IFNγ介导的反应，导致葡萄膜炎。发现GRB2在施加的近视散焦期间以及在视网膜应激和新血管形成期间在小鸡中上调。先前已经注意到ADCY3和RGS5分别在近视患者的视网膜细胞和巩膜细胞中上调，但没有统计学意义。SRF显示在治疗眼中与近视豚鼠的对照眼上调。位于MYP6区域的AP1B1基因内的SNP（rs715494）先前在近视患者中被鉴定。 氧化应激 氧化应激涉及近视和其他眼部疾病。除了对近视眼的各个部位诱导氧化损伤外，各种视网膜结构中的高氧化应激导致脉络膜中的新血管形成。此外，高度近视与青光眼，白内障和视网膜脱离的发展中的眼睛各部位的氧化应激有关。在本研究中，我们已经鉴定了几种与氧化应激调节相关的基因，包括PEX1338，NNT39，OXT40，SOD341，PRDX142，PRDX543，CYB5B，CYB5R144和COQ345。白细胞介素-1α下调SOD3和SOD3减少导致圆锥角膜条件下的氧化防御不足。我们还鉴定了参与氧化磷酸化过程的NADH-泛醌氧化还原酶基因，例如NDUFA5，NDUFB2，NDUFB3，NDUFB7，NDUFB10，NDUFS8和NDUFV2-AS147。 轴突引导 轴突引导对于大脑和感觉器官（如眼睛视网膜）的神经生长至关重要。视网膜神经节细胞（RGC）将其轴突投射到大脑的视觉皮层。有许多蛋白质作为轴突导向线索，如netrins，semaphorins，狭缝，ephrins，L1CAM（L1），层粘连蛋白，肌腱蛋白，硫酸软骨素和Wnt蛋白。我们的研究确定了semaphorins的甲基化差异，例如与近视显着相关的SEMA3F，SEMA4B，SEMA4C和SEMA5A。其中，已经发现SEMA5A在视神经盘和视神经的视网膜轴突生长期间特异性表达。在我们的研究中，PAX6在5'UTR处被鉴定为与近视相关的3倍高甲基化。 PAX6表达的调控区域和其他区域的遗传变异对于轴突连接的发展是重要的，并且据报道PAX6在近视的发展中起作用，同时观察到NTRK2在启动子区域的甲基化。 生长因子信号传导和细胞分化 对近视动物模型的研究表明，几种不同的生长因子及其在近视发展中的信号传导有作用。大多数生长因子通过G蛋白偶联受体（GPCR）对细胞发挥作用。我们已经发现G蛋白信号转导调节因子2（RGS2）的高甲基化，早先报道其在形觉剥夺性近视（FDM）的巩膜中被上调。此外，我们注意到GPCR相关Ras调节蛋白的启动子中的甲基化改变，例如GNAO1，PDPK1，RASGRP1，RASGRP2，RASGEF1B和RASL10B。 Wnt信号传导是一种普遍存在的途径，受各种生长因子如TGFβ，bFGF，IGF，VEGF，HGF等的作用影响，其成分对于各个阶段眼组织的发育至关重要，包括形成眼睛，视网膜，晶状体，睫状体，虹膜和血管发育。Wnt信号传导的激活导致小鼠近视的进展。Wnt2b和Wnt3以及β-连环蛋白在FDM中显示在巩膜成纤维细胞中高度表达。在我们的研究中，我们观察到Cateninβ相互作用蛋白1（CTNNBIP1：p = 0.006）和Catenin Alpha-Like 1（CTNNAL1：p = 2.6×10-38）的高甲基化分别具有2.3和3.19倍的变化。关键基因的整体减少的表达可能导致动力不足的Wnt信号传导，并因此抑制对近视中视网膜的可能病理生理学响应的基因表达。 蛋白激酶A信号传导是视网膜神经节细胞存活的重要过程。在我们的研究中，双特异性磷酸酶16（DUSP16）的5'UTR中的高甲基化与近视显着相关。高甲基化的几种其他基因在蛋白激酶A信号传导控制下，包括PHKB，PHKG2，PTPN11和CDC27。 其中，PTPN11在晶状体和视网膜发育中发挥作用，并发现与近视有关，我们研究中的另外两种高甲基化基因FBN1和OCA2也被发现与同一研究中的近视有关，FBN1 与屈光不正相关。 已显示IGF与雏鸡模型中的近视相关。胰岛素注射阻止远视并在小鸡中诱发轴性近视，这很可能是因为它对眼前段的光学影响。 Forkhead Box O1A（FOXO1）是胰岛素作用的主要靶标之一，并且在本研究中在转录起始位点被高度甲基化。此基因之前被确定与中央角膜厚度和圆锥角膜的减少有关，这是一种表现出轴长增加的病症，与轴性近视有显着关系。 RPTOR和VAMP2是在我们的研究中在胰岛素受体信号传导下鉴定的另外两种基因，并且是高度甲基化的，与近视显着相关。 小编心得： 甲基化研究可以帮助我们识别与高度近视相关的基因，相关通路分析可以提供对近视发展机制的深入了解，并且还可以帮助发展所需的初步意识，以阻止导致近视发展的各种因素的影响。识别导致高度近视病因的基因并阐明相关的分子机制是了解该疾病的病理生理学的第一步。作者的研究详细介绍了近视和眼睛生长模式的一些病因，因此具有相当大的公共卫生应用，因为世界上高度近视的患病率是一项艰巨的医疗保健挑战。此外，鉴别引起近视的基因对于改善早期近视诊断和咨询以及增加我们对眼睛正常和异常发育的理解是重要的。 根号三 撰文 本文为博淼生物原创 |
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