[논문 리뷰] DNA methylation variation in Arabidopsis has a genetic basis and shows evidence of local adaptation

Manu Dubin, Pei Zhang외 16명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 21.

Plant Molecular Biology Research참고 문헌 39인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 아랍시스 톨리카(Arabidopsis thaliana)의 DNA 메틸화 변이가 강한 유전적 기반을 지니며 지역 적응과 관련이 있음을 보여준다. 온도는 주로 전위소에서 CHH 메틸화에 영향을 주지만, CpG 유전자 본 메틸화는 기원한 지역의 위도와 상관관계가 있으며, 이는 전작용(loci)에 의해 유전적으로 조절되며, 많은 전작용(loci)에서 지역 적응의 징후를 보이며, 이는 에피유전적 변이를 직접적으로 환경 적응과 연결시킨다.

ABSTRACT

Epigenome modulation in response to the environment potentially provides a mechanism for organisms to adapt, both within and between generations. However, neither the extent to which this occurs, nor the molecular mechanisms involved are known. Here we investigate DNA methylation variation in Swedish Arabidopsis thaliana accessions grown at two different temperatures. Environmental effects on DNA methylation were limited to transposons, where CHH methylation was found to increase with temperature. Genome-wide association mapping revealed that the extensive CHH methylation variation was strongly associated with genetic variants in both cis and trans, including a major trans-association close to the DNA methyltransferase CMT2. Unlike CHH methylation, CpG gene body methylation (GBM) on the coding region of genes was not affected by growth temperature, but was instead strongly correlated with the latitude of origin. Accessions from colder regions had higher levels of GBM for a significant fraction of the genome, and this was correlated with elevated transcription levels for the genes affected. Genome-wide association mapping revealed that this effect was largely due to trans-acting loci, a significant fraction of which showed evidence of local adaptation. These findings constitute the first direct link between DNA methylation and adaptation to the environment, and provide a basis for further dissecting how environmentally driven and genetically determined epigenetic variation interact and influence organismal fitness.

연구 동기 및 목표

• 다양한 지리적 기원을 가진 아랍시스 톨리카 접근성에서 DNA 메틸화 변이의 정도와 기반을 조사하기 위해.
• 온도와 같은 환경적 요인이 에피유전적 변화를 유도하는지, 그리고 이러한 변화가 유전적으로 영향을 받는지 여부를 규명하기 위해.
• 기후 기울기(예: 위도)와 관련하여 DNA 메틸화 변이가 지리적 적응과 상관관계가 있는지 평가하기 위해.
• 전장 게놈 연관 분석(GWAS)을 통해 메틸화 변이와 관련된 유전적 변이를 규명하기 위해.
• 환경에 의해 유도된 것인지 유전적으로 결정된 것인지 에피유전적 변이를 구분하고, 그들이 적응에 미치는 역할을 평가하기 위해.

제안 방법

• 두 가지 다른 온도(16°C 및 22°C)에서 재배한 192개의 아랍시스 톨리카 접근성에서 DNA 메틸화 수준의 형질 분석.
• 전장 게놈 바이설파이트 시퀀싱을 통해 게놈 전역에서 CpG, CHG, CHH 유형의 DNA 메틸화를 프로파일링.
• 특정 유전자위에서 메틸화 변이와 관련된 cis- 및 trans-작용 유전적 변이를 규명하기 위해 전장 게놈 연관 분석(GWAS) 수행.
• 기원한 지역의 위도와 메틸화 수준 간의 상관관계 분석을 통해 지역 적응 패턴 평가.
• CpG 유전자 본 메틸화와 관련된 전작용(loci)을 식별하고, FST 및 기타 인구 유전 통계를 사용하여 선택 징후를 검증.
• 특히 CMT2 근처의 중요 메틸화 형질 전위(mQTLs) 근처에 위치한 후보 유전자에 대한 기능 검증 및 부족 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 온도와 같은 환경 조건이 아랍시스 톨리카의 DNA 메틸화 변이에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ2 관찰된 메틸화 변이는 주로 유전적 요인에 의해 영향을 받는가, 아니면 환경 유도에 의해 발생하는가?
• RQ3 유전자 본에서의 DNA 메틸화가 접근성의 기원지, 특히 위도와 상관관계가 있는가?
• RQ4 메틸화 변이와 관련된 유전적 위치는 지역 적응의 징후로 풍부하게 축적되어 있는가?
• RQ5 CpG 유전자 본 메틸화와 위도 사이의 상관관계의 분자 기반은 무엇이며, 이는 유전자 발현과 어떻게 관련이 있는가?

주요 결과

• 온도 상승에 따라 전위소 내 CHH 메틸화가 증가하여 환경 반응임을 시사하지만, 이 효과는 특정 게놈 영역에 국한되어 있다.
• CpG 유전자 본 메틸화(GBM)는 기원한 지역의 위도와 강한 정적 상관관계를 보이며, 더 추운 지역에서 기원한 접근성에서 높은 메틸화 수준을 나타낸다.
• 유전체의 상당 부분에서 북부 접근성에서 GBM 수준이 높았고, 이는 해당 유전자에서 발현 수준이 높아진 것과 관련이 있었다.
• 전장 게놈 연관 맵핑을 통해 전작용(loci)이 GBM 변이의 주요 원인임을 규명하였으며, 특히 DNA 메틸화효소 유전자인 CMT2 근처에 주요 유전자위가 존재했다.
• GBM과 관련된 많은 전작용(loci)에서 지역 적응의 징후가 나타났으며, FST 값 상승과 자연 집단에서의 선택 증거가 확인되었다.
• 이 연구는 식물에서 유전적으로 조절되는 DNA 메틸화 변이가 지역 적응과 직접적으로 연결됨을 처음으로 직접적으로 입증하였다.