芝加哥大学何川教授领导的研究团队近日绘制了一张人体组织的DNA 5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）图谱，揭示了这种修饰在组织发育中的作用，同时有望作为多种人类疾病的诊断和治疗标志物。这项成果于12月2日发表在《Nature Communications》杂志上。

之前的研究发现，5hmC修饰与基因转录有关，并常作为生物标志物来研究哺乳动物发育和人类疾病中DNA甲基化的动态转化。许多研究已将5hmC的整体变化与不同的发育过程和疾病进程相关联。然而，有关5hmC的确切功能，目前还说不清楚。

为了进一步研究5hmC的功能，研究人员试图建立人体不同组织类型的全基因组5hmC分布图，以便确定其如何参与转录活性和组织特异性。他们利用新一代测序（NGS）来鉴定5hmC在19种人体组织中的分布。他们发现，5hmC主要集中在组织特异性的基因体和增强子上。

芝加哥大学化学系教授何川表示：“尽管之前的研究表明5hmC可以作为疾病诊断和预后的出色标志物，但缺乏全身组织图限制了我们对这种修饰及其组织特异性的整体了解。新的图谱证实5hmC可作为基因体和增强子的激活标志物，这对于将来癌症的早期诊断和慢性病的监控很重要。”

过去在研究5hmC时大多采用芯片技术，这种技术缺乏全基因组范围的覆盖度，或者仅仅关注有限的组织类型。在这项研究中，研究人员开发出一种灵敏的化学标记和pull-down方法，称为5hmC-Seal，之后开展新一代测序。通过与基因表达和顺式调控元件数据相比较，他们评估了5hmC的调控潜力和组织特异性。


图：5hmC在不同组织中的分布图（图片来自原文）

他们此次采集的新鲜冷冻组织样本代表了19种样本类型，来自10个主要的器官系统，包括神经、心血管、消化、生殖、内分泌、呼吸、泌尿、外皮、骨骼和淋巴器官系统。在总共96个标本中，79个样本取自非癌变器官，其余17个则来自肿瘤切除后的癌旁正常组织。

研究人员在分析5hmC-Seal数据后发现，不同类型组织中的HOXA基因簇有着高度可变的5hmC水平。峰的位置和富集水平有所不同，特别是在亲缘关系较远的组织中。同时，对于相同组织类型的供体样本，HOXA基因簇中的5hmC富集高度一致。这些数据证实了全基因组5hmC图谱的准确性和可重复性。

之后，他们确定了各种人体组织中5hmC分布的几个共同特征。例如，他们发现5hmC峰主要集中在外显子和启动子区域，而较少出现在基因间区域。这表明，尽管组织身份不同，但5hmC始终分布在已知的基因组位置。

总的来说，这项研究报告了多种人体组织中5hmC的详细分布图。研究人员证实，在19种不同的组织类型中，TET催化的5mC氧化在组织特异性的基因和增强子中发挥着重要作用。

“本文展示的人体组织5hmC图谱代表了至关重要的宝贵资源，可与人体组织的5mC分布、染色质开放性和各种组蛋白标记的已知数据整合在一起，以便进一步了解表观基因组调控在人类发育和疾病进展中的作用，”他们在文中写道。（生物通 薄荷）

原文检索

Cui, XL., Nie, J., Ku, J. et al. A human tissue map of 5-hydroxymethylcytosines exhibits tissue specificity through gene and enhancer modulation. Nat Commun 11, 6161 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-20001-w