摘要
DNA甲基化与核小体定位关系密切，是重要的表观遗传修饰之一，参与许多重要的生物学过程。DNA N6-甲基腺嘌呤（N6-methyladenine，N6mA），又名6mA，广泛分布于原核生物，并作用于DNA错配修复、染色体复制、细胞防御、细胞循环监管、转录等过程。但在高等真核生物中，由于含量极低而难以检测，这种修饰一直未受重视。直到最近，多篇文章揭示了诸如衣藻、线虫、小鼠、果蝇和非洲瓜蟾的真核生物基因组中6mA修饰的存在，引起表观遗传界的关注。但是，6mA功能与核小体定位的具体关系仍不清楚。本课题利用生物信息学和统计分析方法，系统地分析了莱茵衣藻、线虫和人类的6mA数据，并结合核小体定位数据、增强子数据和染色质构象数据，深入探讨了6mA与核小体定位的关系，以及6mA对基因表达的调控作用。 我们分析了莱茵衣藻中6mA与核小体定位的关系，发现6mA在莱茵衣藻基因组中呈现出有规律的分布，同时6mA与核小体定位存在互斥关系。首先，我们统计6mA在全基因组的分布，发现在莱茵衣藻中6mA富集于5’UTR（5’untranlated region，5'非翻译区）。进一步研究发现5’UTR区域的6mA甲基化程度与基因的表达呈正相关，说明5’UTR中6mA可能与基因表达等功能有关。随后进一步分析基因转录起始位点（TSS，transcriptional start sites）周围的6mA与核小体定位，发现6mA和核小体对基因表达都有一定的促进作用，核小体和6mA在分布上存在互斥关系，结合CAGT聚类及功能区域分析，发现6mA与核小体定位的模式可能与不同功能区域有关。 分析了线虫基因组中的6mA与核小体定位的关系，发现6mA在起始转录位点富集，可以促进基因表达，同时6mA与核小体存在互斥关系。线虫由于基因组5mC的缺失，一直被认为是无甲基化生物，但最近的研究推翻了此前的认知，发现其基因组内广泛存在着6mA修饰，并很可能在表观遗传的过程中担任重要的角色。因此，我们基于线虫三代测序数据，利用CAGT聚类、MethSMRT等生物信息分析方法，发现6mA在TSS有一定的富集，并且6mA修饰与基因表达呈正相关关系，也发现在6mA位点会出现核小体的缺失，且随着6mA与TSS距离增加，6mA位点的核小体缺失会更明显。同时，6mA与核小体的互斥关系存在不同的模式，不同模式中6mA周围+1、+2核小体的占据水平存在明显的差异，并且与6mA相对于TSS的位置无关。 我们采用基因组三维结构数据分析人类基因组中的6mA，发现人类基因组中的6mA与核小体存在复杂的关系，并且6mA显著富集于TAD(topological associated domain，拓扑相关结构域)的边界。首先对人类基因组中6mA在全基因组上的分布进行分析，探讨6mA分布规律；然后分析TSS、TTS（transcription termination site，转录终止位点）周围核小体与6mA的分布，从而研究6mA与核小体的关系。随后结合染色质构象数据分析6mA在TAD中的分布，在三维基因组中研究6mA的分布。最后结合功能分析探讨6mA在人类淋巴细胞中的生物学功能。研究结果发现人类细胞中的6mA富集于线粒体，同时在性染色体出现显著缺失现象，可能与不同染色体腺嘌呤含量不同有关。在功能区域上，6mA富集于基因区、增强子区、外显子区等区域，对基因表达有一定促进作用。6mA甲基化修饰不仅调节基因表达，还与核小体存在特定的相互关系。在TSS附近，6mA与核小体成互斥关系，但整体分布上，6mA甲基化位点会出现较高的核小体占据现象，表明可能人体中6mA可能更倾向于修饰核小体上缠绕DNA，而在启动子区域，收转录启动的影响，6mA会呈现与核小体定位互斥的现象。结合染色质构象数据分析，我们发现6mA富集于拓扑染色质结构域的左侧边界，同时6mA更倾向于富集在强TAD边界，说明6mA可能参与染色质构象的形成。 综上所述，三个物种的6mA修饰在起始转录位点都有一定的富集，促进基因表达；6mA在不同区域与核小体定位有不同的相互关系，这表明6mA与核小体定位的关系会受到它们所处的基因组区域影响。6mA修饰可能与细胞发育有关，这会引起在不同物种之间6mA功能及分布的差异。我们的研究工作对了解不同物种6mA修饰的功能，尤其对深入认识6mA和核小体定位关系提供数据和信息支撑。
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