小鼠 DNA 甲基化模式的非孟德尔遗传

表观遗传机制（如基因组印记）表明分子遗传可能偏离典型的孟德尔模式。尽管如此，DNA 甲基化的代际遗传仍知之甚少。在此，研究人员开发了一种全基因组方法来研究小鼠的表观遗传继承，使用了长读长纳米孔（Nanopore）测序技术。利用该方法在肝脏和肌肉中进行的研究发现，约 93% 的常染色体表观遗传继承模式遵循孟德尔定律，主要由顺式作用甲基化数量性状位点（cis-acting meQTLs）驱动。然而，研究人员也鉴定出广泛的非孟德尔遗传现象，包括新出现的表观遗传继承模式、局限于肝脏的广泛性别特异性 DNA 甲基化模式，以及五个看似新的常染色体和 X 连锁印记基因。值得注意的是，研究人员还报告了一个自然发生的代际副突变（paramutation）实例，该实例在 Capn11 内的菌株特异性转座元件上得到证实，并且在 Vps37c 处也极有可能存在。总体而言，已鉴定的常染色体表观遗传继承模式中有约 7% 出乎意料地表现为非孟德尔遗传，这突显了表观遗传信息在分析遗传性状和疾病中的重要性。

**小鼠 DNA 甲基化非孟德尔遗传模式的深度解读**

**研究背景与意义**
遗传学中长期存在一个假设，即表观遗传性状（如 DNA 甲基化）的继承可能比目前公认的更为普遍。这一现象有望解释遗传学中一些尚不明确的概念，包括不完全外显率、具有隐性单基因遗传性状的症状性杂合子，以及受环境影响并以非孟德尔方式传递的复杂性状。既知的非孟德尔表观遗传模式包括基因组印记建立的亲本来源特异性 DNA 甲基化模式、极性等显性（polar overdominance），以及转座效应（transvection）和副突变（paramutation）。然而，这些非孟德尔遗传机制在哺乳动物中的研究仍然不足。为了阐明遗传学、表观遗传学、环境与疾病之间复杂的相互关系，研究人员开展了一项全基因组规模的分析，旨在探究 DNA 甲基化模式在代际间的继承情况，并评估基因型、亲本来源和性别对这一过程的贡献。这项研究发表在顶级期刊《Nature Genetics》上，对于理解复杂性状的遗传基础具有重要意义。

**研究方法概述**
研究人员选择了协作交叉（Collaborative Cross, CC）小鼠模型中的两个重组近交系（CC019/TauUnc 和 CC037/TauUnc）及其 F1 和 F2 代杂交后代作为研究对象，以增加种间杂合度并减少杂交障碍。研究采用了长读长 Oxford Nanopore Technologies (ONT) 测序技术，对来自两种不同组织（肝脏和肌肉）的 DNA 进行了全基因组测序，从而能够在同一 DNA 分子上直接测量遗传序列和 DNA 甲基化，实现单倍型定相。研究人员开发了一套计算流程，将高度分歧的 CC 菌株的甲基化数据映射到单一的伪杂交中间基因组中，以进行严格且无偏倚的等位基因特异性甲基化分析。此外，研究还结合了等位基因特异性表达（allele-specific expression）的测量，以评估这些表观遗传继承模式的功能后果。样本队列包括 26 只近交系小鼠（15 只肝脏，11 只肌肉）及其 34 只 F1 代杂交小鼠（22 只肝脏，12 只肌肉），并对 19 只 F2 代小鼠的肝脏 DNA 进行了靶向 ONT 测序以验证候选模式。

**研究结果**

**顺式作用 meQTLs（模式 1）**
研究发现，最普遍的表观遗传继承模式是甲基化水平根据基因型和等位基因进行分层。这些模式由顺式作用甲基化数量性状位点（cis-acting meQTLs）建立，即调节同一等位基因上邻近 CpG 位点 DNA 甲基化水平的遗传变异。在至少一种组织中鉴定出 7,081 个遵循此模式的基因组区域，占常染色体表观遗传继承模式的约 93%。通过对 F2 代小鼠的靶向测序证实，这些差异甲基化区域（DMRs）的甲基化水平与局部单倍型共分离，验证了其受顺式作用调控元件的控制。进一步分析发现，许多 cis-acting meQTLs 同时也作为表达数量性状位点（eQTLs）调节基因表达。

**非显性反式作用 meQTLs（模式 2）**
研究人员还识别出一些区域，其甲基化仅在近交系样本中按基因型分层，而在 F1 代的两个等位基因中均表现出中间甲基化水平。这些模式可能由反式作用 meQTLs（trans-acting meQTLs）引起，即影响远端 CpG 位点甲基化水平的遗传变异。共鉴定出 51 个此类区域，且显示出比顺式作用更强的组织特异性。通过长读长测序数据分析细胞内和 CpG 水平的甲基化变异性，可将此类模式细分为不完全显性和共显性两种亚型。部分此类 meQTLs 也被发现具有 eQTL 功能。

**显性反式作用 meQTLs、转座效应和副突变（模式 3-5）**
分析揭示了另一类模式：在近交系中甲基化按基因型分层，但在 F1 代中，两个等位基因的甲基化模式仅类似于其中一个亲本菌株。这种现象可能源于三种机制：显性反式作用 meQTLs、转座效应或副突变。通过对 F2 代的深入分析，研究人员在 Capn11 基因重叠区确认了一个代际副突变事件，这是哺乳动物基因组中在未进行转基因操作情况下发现的自然发生的副突变实例。此外，在 Vps37c 基因附近的一个菌株特异性内源性逆转录病毒（IAP）元件上也观察到了高度可能的副突变模式。这些发现表明，IAP 元件的甲基化抑制可能与观察到的副突变事件存在机制上的联系。

**新出现的表观遗传继承模式（模式 6-10）**
研究还发现了 54 个新出现的表观遗传继承模式实例，即 F1 代中至少一个等位基因表现出双亲均未观察到的新甲基化模式。这些模式包括超显性、等位基因特异性超显性/低显性以及双等位显性。值得注意的是，这些模式主要受组织特异性调节，且大部分为新发现，显著增加了哺乳动物中此类现象的已知案例。

**基因组印记（模式 11）**
作为最经典的非孟德尔遗传形式，研究人员鉴定出 111 个表现出亲本来源特异性甲基化模式的常染色体区域，以及 X 染色体上的一个此类区域。除了已知的印记控制区（ICRs）外，研究还发现了四个此前未被报道的常染色体印记基因（Scn8a, Pcdhb4, Fry, Socs5）。分析还显示，尽管某些基因启动子区域存在亲本来源特异性甲基化，但并不一定导致亲本来源特异性表达，暗示印记调控的复杂性。

**性别特异性 DNA 甲基化（模式 12）**
研究识别出 305 个表现出性别特异性甲基化模式的常染色体区域，其中绝大多数（99.7%）表现为雌性高甲基化。所有这些模式均在肝脏中检测到，而在肌肉中未观察到，这与肝脏中已知的性别特异性基因表达模式一致。F2 代分析证实这些模式由性别依赖机制调控，且与性别偏向的基因表达相关。

**X 染色体表观遗传继承模式**
针对 X 染色体的分析揭示了偏斜的 X 染色体失活（skewed XCI）现象，即在特定杂交组合中，CC037 等位基因倾向于被优先失活（高甲基化）。此外，研究还在 X 染色体的 Zfp92 基因内发现了一个此前未报道的亲本来源特异性甲基化区域，这可能是一个新的 X 连锁印记位点，与认知功能和生殖健康相关。

**结论与讨论**
综上所述，该研究通过全基因组范围的长读长测序分析，揭示了小鼠 DNA 甲基化代际继承的广泛复杂性。虽然绝大多数（约 93%）常染色体表观遗传模式遵循孟德尔定律并受顺式遗传变异驱动，但仍有约 7% 的模式表现为非孟德尔遗传。这些非孟德尔模式包括新出现的表观遗传变异、广泛的性别特异性甲基化、新的印记基因以及自然发生的副突变。特别是副突变与 IAP 转座元件的关联，为理解表观遗传信息如何在代际间传递并影响表型提供了新的见解。这些发现不仅挑战了传统的遗传学观点，也为解释复杂性状、疾病易感性以及进化过程中的表型多样性提供了新的视角。研究人员指出，未来的研究应扩展到更多组织和环境条件下，并结合人类群体的等位基因特异性表观基因组学研究，以进一步阐明这些机制在更广泛背景下的保守性和功能意义。此外，这些发现也为 Waddington 提出的“遗传同化”假说提供了潜在的分子机制支持，即环境引起的表观遗传扰动可能通过特定机制（如 IAP 相关的突变）最终被遗传固定下来。