J Hazard Mater/IF12.2：RRBS揭示农药诱导胰腺全基因组DNA甲基化跨代改变与代谢表型相关

人造化学品的不当使用会对生物多样性和人类健康构成重大威胁，某些化学物质（如农药）可能通过表观遗传机制（如DNA甲基化）对代谢健康造成跨代传递。先前的研究表明，胰腺中DNA甲基化变化是小鼠跨代易感性代谢疾病的重要机制，因此分析胰腺等代谢重要器官的表观遗传模式，可以进一步增进对祖代Linuron暴露介导跨代代谢效应的机制理解。

2024年10月5日，瑞典斯德哥尔摩大学Oskar Karlsson团队在《Journal of Hazardous Materials》期刊发表了题为“Pesticide-induced transgenerational alterations of genome-wide DNA methylation patterns in the pancreas of Xenopus tropicalis correlate with metabolic phenotypes”的科研成果，研究关注了一种名为Linuron的抗雄激素类除草剂在动物（热带爪蟾，Xenopus tropicalis）中的跨代表观遗传效应，以及其与代谢表型的相关性。

标题：Pesticide-induced transgenerational alterations of genome-wide DNA methylation patterns in the pancreas of Xenopus

tropicalis correlate with metabolic phenotypes（农药诱导的热带爪蟾胰腺全基因组DNA甲基化模式的跨代改变与代谢表型相关）

期刊：Journal of Hazardous Materials

影响因子：IF 12.2 / 1区

技术平台：RRBS

研究通过简化基因组重亚硫酸盐测序（Reduced Representation Bisulfite Sequencing，RRBS）分析了祖代（F0代）暴露于环境相关linuron水平 （2±44.4 μg/L） 的F2代成体雄性Xenopus tropicalis（X. tropicalis）胰腺中的全基因组 DNA 甲基化模式。分析共鉴定出F2代X. tropicalis基因组中的 1117 个差异甲基化区域 （DMR），揭示了代谢失调的潜在调控机制。在对胰腺功能至关重要的基因中鉴定出 DMR，包括钙信号传导（CLSTN2 、CACNA1d 和CADPs2）、2型糖尿病相关基因 （TCF7L2 和ADCY5）以及胰腺导管腺癌（PLEC）生物标志物。相关性分析揭示这些基因中 DNA 甲基化水平与代谢表型之间的关联，表明血糖代谢的表观遗传调控。此外与组蛋白修饰相关基因的差异甲基化表明表观遗传机制发生变化。研究证明了Linuron在一定环境浓度下引起的发育暴露可以导致雄性传递的跨代胰腺DNA甲基化模式改变。这些改变可能对胰腺功能产生长期影响，并引起对农药跨代表观遗传效应的健康风险的关注。

研究思路：

研究假设Linuron在F0代早期发育暴露可以改变F2代胰腺表观基因组，尤其与代谢功能相关基因。

通过实验设计，研究F0代热带爪蟾（X. tropicalis）在暴露于Linuron后的多代效应，并在F2代中评估跨代表观遗传效应。

使用RRBS技术分析成体雄性F2代X. tropicalis胰腺的全基因组DNA甲基化模式。

通过相关性分析和主成分分析，研究DNA甲基化水平与代谢表型（体重和血糖水平）之间的关联。

研究亮点：

Linuron暴露导致X. tropicalis胰腺的跨代表观遗传变化。

在F2代雄性X. tropicalis中鉴定出1117个DMRs，这些区域可能与代谢表型跨代变化有关。

在与F2代代谢表型变化相关的基因中鉴定出DMRs，表明这些基因的甲基化状态可能影响代谢表征。

特定基因的甲基化水平与血浆中的葡萄糖水平存在相关性，进一步支持表观遗传调控在代谢调控中的作用。

图形摘要

结果图形

图1：在F0代发育期间暴露于Linuron后的F2代雄性成体热带爪蟾中的差异甲基化区域（DMRs）。

A. 圆形图表显示了每个染色体（1-10）上DMRs的位置。红点代表高甲基化DMRs，蓝点代表低甲基化DMRs，灰色点是与对照组相比差异小于10%的区域。

B. 饼图显示了DMRs的基因组位置分布。 

图2：在F0代发育期间暴露于Linuron后的F2代雄性成体热带爪蟾胰腺中与差异甲基化区域（DMRs）重叠基因集的过表达分析。

A. 低甲基化区域的基因本体（Gene Ontology）过表达分析。

B. 启动子区域低甲基化DMRs的基因本体过表达分析。

C. 高甲基化区域的基因的KEGG通路过表达分析。

表1：在F0代发育期间暴露于Linuron后的F2代雄性成体热带爪蟾胰腺中与DMRs重叠的选定基因。

表2：在F0代发育期间暴露于Linuron后的F2代雄性成体热带爪蟾中，对照组和处理组个体胰腺中选定基因的DMRs甲基化水平与相应代谢表型之间的成对斯皮尔曼相关系数（ρ）。DMRs呈现顺序与表1相同。

 

表3：在F0代发育期间暴露于Linuron后的F2代雄性成体热带爪蟾的代谢表型测量。*号表示对照组和 Linuron F2 组之间的统计学显著差异。

图3：具有重要胰腺功能的候选基因DNA甲基化与X. tropicalis祖代暴露于Linuron后的表型（特别是血浆葡萄糖水平和体重）之间的多变量关系。

A. 双变量图展示主成分分析（PCA）的前两个主成分（PC），包括选定基因中DMRs的胰腺DNA甲基化水平，以及成体F2雄性热带爪蟾在祖代发育期间暴露于Linuron后的血浆葡萄糖水平和体重。

B-C.  变量对PC1和PC2载荷的贡献百分比。虚线红线对应所有变量的平均贡献。仅显示每个主成分中贡献最高的20个变量。

易小结

本研究表明，发育过程中暴露于一定浓度的抗雄激素类除草剂Linuron后，会诱导雄性传递的胰腺DNA甲基化模式的跨代改变。结果强调了环境污染的长期影响，并指出了对胰腺功能可能危害的跨代效应。在关键代谢基因中检测到差异甲基化区域（DMRs），包括重要的2型糖尿病标记物（tcf7l2和adcy5）、胰腺导管腺癌（plec）以及调控钙信号的基因，这些基因可以影响胰腺的外分泌和内分泌功能。这些基因中的一些DNA甲基化水平也与体重和血浆葡萄糖水平相关，表明表观遗传调控可以影响葡萄糖代谢。最后，在编码几种组蛋白甲基转移酶、去甲基化酶和乙酰转移酶的基因中鉴定出DMRs，这些基因对于调控表观遗传景观至关重要。这些发现不仅有助于全面理解污染跨代效应的潜在机制，也对历史上农药和化学品使用所带来的长期后果提出了担忧。研究结果对环境污染物的长期影响和跨代表观遗传效应的健康风险具有重要意义。

参考文献：

RozaM, Eriksson ANM, Svanholm S, Berg C, Karlsson O. Pesticide-inducedtransgenerational alterations of genome-wide DNA methylation patterns in thepancreas of Xenopus tropicalis correlate with metabolic phenotypes. J HazardMater. 2024 Aug 9;478:135455. pii: S0304-3894(24)02034-X. doi:10.1016/j.jhazmat.2024.135455. PubMed PMID: 39154485.