[論文レビュー] DNA methylation variation in Arabidopsis has a genetic basis and shows evidence of local adaptation

Manu Dubin, Pei Zhang+16 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2014

Plant Molecular Biology Research参考文献 39被引用数 11

ひとこと要約

本研究は、アラビドプシス・タリアナのDNAメチル化変異が強く遺伝的基盤を持ち、局所適応と関連していることを示している。温度は主にトランスポゾンにおけるCHHメチル化に影響を及ぼすが、CpG遺伝子ボディーメチル化は起源の緯度と相関し、多くの場合、局所適応の兆候を示す反応性遺伝子座によって遺伝的に制御されており、エピジェネティック変異が直接環境適応に関連していることを示している。

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.

研究の動機と目的

• 多様な地理的起源を有するアラビドプシス・タリアナの株のDNAメチル化変異の程度とその基盤を調査すること。
• 気温などの環境要因がエピジェネティック変化を誘発するかどうか、およびその変化が遺伝的に影響を受けるか、または可染性であるかを特定すること。
• 気候勾配（特に緯度）と関連して、DNAメチル化変異が地理的適応と相関しているかどうかを評価すること。
• 全ゲノムワイド関連解析（GWAS）を用いて、メチル化変異に関連する遺伝子変異を同定すること。
• 環境によって誘発されたものと遺伝的に決定づけられたものとを区別し、それらが適応に果たす役割を評価すること。

提案手法

• 2つの異なる温度（16°Cおよび22°C）で育成した192株のアラビドプシス・タリアナにおけるDNAメチル化レベルの形態的解析。
• 全ゲノムバイスルファイトシーケンシングを用いて、ゲノム全体におけるCpG、CHG、CHHの3つの文脈でのDNAメチル化をプロファイリング。
• 特定の遺伝子座におけるメチル化変異と関連するcisおよびtrans作用遺伝子変異を同定するための全ゲノムワイド関連解析（GWAS）。
• 起源の緯度との間のメチル化レベルの相関分析を通じて、局所適応のパターンを評価。
• CpG遺伝子ボディーメチル化に関連する反応性遺伝子座の同定と、FSTおよび他の集団遺伝統計量を用いた選択の兆候の検出。
• 特にCMT2の近傍に位置する顕著なメチル化質的値座（mQTL）周辺の候補遺伝子の機能的検証および機能的豊富度解析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アラビドプシスにおけるDNAメチル化変異は、気温などの環境要因によってどの程度影響を受けるか？
• RQ2 観察されたメチル化変異は、主に遺伝的要因によるものか、環境誘発によるものか？
• RQ3 遺伝子ボディーにおけるDNAメチル化は、株の地理的起源（特に緯度）と相関しているか？
• RQ4 メチル化変異に関連する遺伝子座は、局所適応の兆候を豊富に含んでいるか？
• RQ5 CpG遺伝子ボディーメチル化と緯度の相関の分子的基盤は何か、そして遺伝子発現とどのように関連しているか？

主な発見

• トランスポゾンにおけるCHHメチル化は温度上昇に伴い増加し、環境応答を示すが、これは特定のゲノム領域に限定的である。
• CpG遺伝子ボディーメチル化（GBM）は、起源の緯度と強く正の相関を示し、寒冷地帯に由来する株では高いメチル化レベルを示した。
• ゲノムの顕著な部分で北部の株においてGBMが上昇しており、その遺伝子群の転写レベルも上昇していた。
• 全ゲノムワイド関連マッピングにより、反応性遺伝子座がGBM変異の主な駆動要因であることが判明し、特にDNAメチルトランスフェラーゼ遺伝子CMT2の近傍に主要な遺伝子座が存在した。
• GBMに関連する多くの反応性遺伝子座は、局所適応の兆候を示しており、FST値の上昇や自然集団における選択の証拠が認められた。
• 本研究は、植物において遺伝的に制御されるDNAメチル化変異と局所適応を直接結びつける初の証拠を提供した。