文獻(xiàn)解讀：高原適應(yīng)的表觀遺傳密碼DNA甲基化與衰老的研究
高原環(huán)境由于氣壓降低（包括氧分壓）、溫度下降和紫外線輻射增加，對人類定居構(gòu)成挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對這種惡劣環(huán)境，短期高原適應(yīng)（short-term acclimatization，STA）會通過生理變化恢復(fù)穩(wěn)態(tài)（如增強(qiáng)通氣和心率），而長期高原適應(yīng)（long-term adaptation，LTA）則通過數(shù)千年的進(jìn)化實現(xiàn)了遺傳適應(yīng)。然而DNA甲基化作為一種重要的表觀遺傳機(jī)制，其在高原適應(yīng)中的作用尚不清楚。
近日，西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院楊劍教授團(tuán)隊、首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京同仁醫(yī)院金子兵教授團(tuán)隊、溫州醫(yī)科大學(xué)呂帆教授團(tuán)隊合作，通過大規(guī)模的甲基化組關(guān)聯(lián)研究（methylome-wide association studies，MWAS），探討了高原環(huán)境對人類定居的挑戰(zhàn)，特別是DNA甲基化在短期高原適應(yīng)（STA）和長期高原適應(yīng)（LTA）中的作用。研究納入687名高原原住民（NHs，即高原藏族）、299名適應(yīng)后移民（ANs，即高原漢族）和462名低海拔原住民（NLs，即低海拔漢族），旨在鑒定與STA和LTA相關(guān)的差異甲基化位點（differentially methylated sites，DMSs），并分析其在生物學(xué)通路中的富集情況。此外還評估了高原環(huán)境對衰老的影響，并探討了遺傳分化在高原適應(yīng)中的作用。本研究揭示了DNA甲基化在高原適應(yīng)中的作用，為理解人類如何在高原環(huán)境中生存和適應(yīng)提供了新視角。此外，研究結(jié)果還可能為開發(fā)靶向高原相關(guān)疾病和衰老的干預(yù)策略提供理論依據(jù)。相關(guān)研究成果以《Distinct methylomic signatures of high-altitude acclimatization and adaptation in the Tibetan Plateau》為題發(fā)表于《Cell Discovery》期刊。
標(biāo)題：Distinct methylomic signatures of high-altitude acclimatization and adaptation in the Tibetan Plateau（青藏高原高海拔馴化和適應(yīng)的差異DNA甲基化表征）
發(fā)表時間：2025-05-06
發(fā)表期刊：Cell Discovery
影響因子：IF13/Q1
技術(shù)平臺：450K芯片、MWAS分析、meQTL分析、表觀遺傳時鐘分析
本研究對687名青藏高原原住民、299名適應(yīng)后移民以及462名低海拔原住民進(jìn)行了全甲基化組關(guān)聯(lián)研究，以鑒定與STA或LTA相關(guān)的差異甲基化位點（DMSs）。研究分別鑒定出93個和4070個與STA和LTA相關(guān)的DMSs，它們之間沒有重疊，表現(xiàn)出相反的不對稱效應(yīng)大小模式，并且分別位于富集于不同生物學(xué)通路/過程的基因附近（例如，STA相關(guān)的細(xì)胞周期和LTA相關(guān)的免疫疾病及鈣信號通路）。表觀遺傳時鐘分析顯示，與低海拔原住民相比，適應(yīng)后的移民表現(xiàn)出加速衰老的跡象。本研究為理解高原相關(guān)的表觀遺傳調(diào)控以及靶向高原相關(guān)衰老或疾病的干預(yù)策略提供了新的見解。
研究方法
樣本收集：研究納入了高原原住民（NHs）、適應(yīng)后的移民（ANs）和低海拔原住民（NLs），分別采集他們的血液樣本進(jìn)行DNA甲基化分析和基因分型。
甲基化組關(guān)聯(lián)研究（MWAS）：通過比較ANs與NLs鑒定與STA相關(guān)的DMSs，通過比較NHs與Ans鑒定與LTA相關(guān)的DMSs。
表觀遺傳時鐘分析：利用表觀遺傳時鐘模型預(yù)測參與者的表觀遺傳年齡，并評估其與實際年齡的差異。
甲基化定量性狀位點（meQTL）分析：鑒定與DNA甲基化相關(guān)的遺傳變異，并探討其在高原適應(yīng)中的作用。
結(jié)果圖形
（1）研究設(shè)計與數(shù)據(jù)概覽
研究利用藏族-漢族高海拔（Tibetan-Han Chinese high-altitude，THCH）隊列，包括三個群體：高原原住民（NHs）、適應(yīng)后的移民（ANs）和低海拔原住民（NLs）。經(jīng)過質(zhì)控（quality control，QC）后，保留了約5.1M常見遺傳變異和445K DNA甲基化探針。
圖1：研究設(shè)計示意圖。
① 招募參與者，包括高原原住民（NHs，高原藏族）、適應(yīng)后移民（ANs，高原漢族）和低海拔原住民（NLs，低海拔漢族）。
② 進(jìn)行甲基化組全關(guān)聯(lián)研究（MWAS），以研究與高原短期適應(yīng)（STA）和長期適應(yīng)（LTA）相關(guān)的DNA甲基化變化。通過比較NHs和ANs，鑒定了與長期適應(yīng)相關(guān)的差異甲基化位點（DMSs）；通過比較ANs和NLs，鑒定了與短期適應(yīng)相關(guān)的DMSs。
③ 利用表觀遺傳時鐘分析來評估這三組人群的衰老加速情況，還測試了八類行為和生物醫(yī)學(xué)表型與居住在青藏高原的受試者衰老加速之間的關(guān)聯(lián)。
④ 利用可用的基因型和DNA甲基化數(shù)據(jù)進(jìn)行甲基化定量性狀位點（meQTL）分析，并探討了遺傳分化在驅(qū)動長期適應(yīng)DMSs中的作用。
（2）鑒定與高原適應(yīng)相關(guān)的差異甲基化位點（DMSs）
鑒定出93個與短期適應(yīng)（STA）相關(guān)的DMSs，主要富集在細(xì)胞周期相關(guān)基因附近。
鑒定出4070個與長期適應(yīng)（LTA）相關(guān)的DMSs，主要富集在免疫疾病和鈣信號通路相關(guān)基因附近。STA和LTA的DMSs沒有重疊，且甲基化水平的變化方向相反。
b/d. QQ（quantile-quantile）圖顯示STA（b）和LTA（d）的bacon校正的P值（y軸）與在零假設(shè)下的預(yù)期分布（x軸）的關(guān)系。
e. STA DMSs的功能元件富集。
f. LTA DMSs的功能元件富集。
（3）DMSs在生物學(xué)通路和基因本體（Genebody）中的富集
STA的DMSs主要富集在細(xì)胞周期相關(guān)通路中，表明細(xì)胞周期相關(guān)過程在STA中起主要作用。LTA的DMSs主要富集在免疫疾病和鈣信號通路中，可能與高原環(huán)境中的炎癥和感染適應(yīng)有關(guān)。
a-d. 基因集富集分析顯示前10個KEGG和GO富集氣泡圖。y軸表示生物學(xué)通路/過程，x軸表示富集顯著性。氣泡大小表示該集合中的基因數(shù)量。虛線表示FDR閾值為0.05。STA的KEGG富集（a），LTA的KEGG富集（b），STA的GO富集（c），LTA的GO富集（d）。
（4）meQTLs的識別與驗證
meQTL分析鑒定出13464132個順式meQTLs和330624個反式meQTLs，這些遺傳變異與DNA甲基化位點顯著相關(guān)。并在歐洲人群中驗證這些meQTLs，顯示出與東亞人群高度一致效應(yīng)。
b.不同數(shù)據(jù)集/人群中meQTL效應(yīng)大小相關(guān)性的熱圖。分析包括三個數(shù)據(jù)集/人群：本研究中的THCH數(shù)據(jù)（中國人群，東亞祖源，EAS）、新加坡iOmics數(shù)據(jù)（東南亞人群）以及Lothian出生隊列（LBC）和布里斯班系統(tǒng)遺傳學(xué)研究（BSGS）數(shù)據(jù)的薈萃分析（歐洲祖源，EUR）。
c.順式meQTLs在基因組元件中的富集情況。
d. 反式meQTLs在基因組元件中的富集情況。
e.與32種復(fù)雜性狀相關(guān)的DNAm探針數(shù)量的條形圖。
（5）遺傳分化在驅(qū)動LTA DMS中的作用
遺傳分化分析揭示LTA DMSs的遺傳變異與高原適應(yīng)相關(guān)，表明遺傳分化在高原適應(yīng)中起重要作用。共定位分析揭示與高原適應(yīng)相關(guān)的遺傳信號與DNA甲基化信號共享相同的因果變異。
b-c. 使用SMR分析鑒定meQTL信號和高原遺傳適應(yīng)信號共享相同因果變異的遺傳位點。b圖為2號染色體上的EPAS1區(qū)域，c圖為1號染色體上的EGLN1區(qū)域。
（6）表觀遺傳時鐘分析揭示適應(yīng)后移民的加速衰老
表觀遺傳時鐘分析揭示適應(yīng)后移民的表觀遺傳年齡顯著高于其實際年齡，表明高原環(huán)境可能導(dǎo)致加速衰老。風(fēng)險因素分析揭示陽光暴露和血液細(xì)胞成分與加速衰老顯著相關(guān)。
b.三個群體的年齡加速殘差（age acceleration residual，AAR）的箱線圖。箱上方的P值表示兩個群體之間平均AAR差異的統(tǒng)計顯著性。箱下方的P值表示所有三個群體之間平均AAR差異的顯著性。
易小結(jié)
本研究通過大規(guī)模的甲基化組關(guān)聯(lián)研究，揭示了高原適應(yīng)過程中DNA甲基化的特異性模式，并發(fā)現(xiàn)適應(yīng)后移民存在加速衰老現(xiàn)象。這些發(fā)現(xiàn)為理解高原適應(yīng)的分子機(jī)制提供了新的視角，并為開發(fā)靶向高原相關(guān)疾病和衰老的干預(yù)策略提供了理論依據(jù)。
MWAS分析、meQTLs分析和表觀遺傳時鐘分析在本研究中的重要作用
在本研究中，甲基化組關(guān)聯(lián)分析（MWAS）、甲基化定量性狀位點（meQTLs）分析和表觀遺傳時鐘分析發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，分別從不同的角度揭示了高原適應(yīng)的表觀遺傳機(jī)制和相關(guān)生物學(xué)過程。
MWAS分析：MWAS通過比較不同群體的DNA甲基化水平，識別出與高原短期適應(yīng)（STA）和長期適應(yīng)（LTA）相關(guān)的DMSs，揭示了生物學(xué)通路的差異，提供環(huán)境適應(yīng)的分子證據(jù)。
meQTLs分析：通過鑒定與DNA甲基化相關(guān)的遺傳變異，揭示了遺傳分化在高原適應(yīng)中的作用，為理解高原適應(yīng)的遺傳基礎(chǔ)提供了重要線索。
表觀遺傳時鐘分析：通過評估表觀遺傳年齡與實際年齡的差異，揭示了高原環(huán)境對衰老的影響，為開發(fā)抗衰老策略提供了潛在靶點。
參考文獻(xiàn)：
Cheng, F., Shen, RJ., Zheng, Z. et al. Distinct methylomic signatures of high-altitude acclimatization and adaptation in the Tibetan Plateau. Cell Discov 11, 45 (2025). https://doi.org/10.1038/s41421-025-00795-z
近日，西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院楊劍教授團(tuán)隊、首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京同仁醫(yī)院金子兵教授團(tuán)隊、溫州醫(yī)科大學(xué)呂帆教授團(tuán)隊合作，通過大規(guī)模的甲基化組關(guān)聯(lián)研究（methylome-wide association studies，MWAS），探討了高原環(huán)境對人類定居的挑戰(zhàn)，特別是DNA甲基化在短期高原適應(yīng)（STA）和長期高原適應(yīng)（LTA）中的作用。研究納入687名高原原住民（NHs，即高原藏族）、299名適應(yīng)后移民（ANs，即高原漢族）和462名低海拔原住民（NLs，即低海拔漢族），旨在鑒定與STA和LTA相關(guān)的差異甲基化位點（differentially methylated sites，DMSs），并分析其在生物學(xué)通路中的富集情況。此外還評估了高原環(huán)境對衰老的影響，并探討了遺傳分化在高原適應(yīng)中的作用。本研究揭示了DNA甲基化在高原適應(yīng)中的作用，為理解人類如何在高原環(huán)境中生存和適應(yīng)提供了新視角。此外，研究結(jié)果還可能為開發(fā)靶向高原相關(guān)疾病和衰老的干預(yù)策略提供理論依據(jù)。相關(guān)研究成果以《Distinct methylomic signatures of high-altitude acclimatization and adaptation in the Tibetan Plateau》為題發(fā)表于《Cell Discovery》期刊。
標(biāo)題：Distinct methylomic signatures of high-altitude acclimatization and adaptation in the Tibetan Plateau（青藏高原高海拔馴化和適應(yīng)的差異DNA甲基化表征）
發(fā)表期刊：Cell Discovery
影響因子：IF13/Q1
技術(shù)平臺：450K芯片、MWAS分析、meQTL分析、表觀遺傳時鐘分析
本研究對687名青藏高原原住民、299名適應(yīng)后移民以及462名低海拔原住民進(jìn)行了全甲基化組關(guān)聯(lián)研究，以鑒定與STA或LTA相關(guān)的差異甲基化位點（DMSs）。研究分別鑒定出93個和4070個與STA和LTA相關(guān)的DMSs，它們之間沒有重疊，表現(xiàn)出相反的不對稱效應(yīng)大小模式，并且分別位于富集于不同生物學(xué)通路/過程的基因附近（例如，STA相關(guān)的細(xì)胞周期和LTA相關(guān)的免疫疾病及鈣信號通路）。表觀遺傳時鐘分析顯示，與低海拔原住民相比，適應(yīng)后的移民表現(xiàn)出加速衰老的跡象。本研究為理解高原相關(guān)的表觀遺傳調(diào)控以及靶向高原相關(guān)衰老或疾病的干預(yù)策略提供了新的見解。
研究方法
樣本收集：研究納入了高原原住民（NHs）、適應(yīng)后的移民（ANs）和低海拔原住民（NLs），分別采集他們的血液樣本進(jìn)行DNA甲基化分析和基因分型。
甲基化組關(guān)聯(lián)研究（MWAS）：通過比較ANs與NLs鑒定與STA相關(guān)的DMSs，通過比較NHs與Ans鑒定與LTA相關(guān)的DMSs。
表觀遺傳時鐘分析：利用表觀遺傳時鐘模型預(yù)測參與者的表觀遺傳年齡，并評估其與實際年齡的差異。
甲基化定量性狀位點（meQTL）分析：鑒定與DNA甲基化相關(guān)的遺傳變異，并探討其在高原適應(yīng)中的作用。
結(jié)果圖形
（1）研究設(shè)計與數(shù)據(jù)概覽
研究利用藏族-漢族高海拔（Tibetan-Han Chinese high-altitude，THCH）隊列，包括三個群體：高原原住民（NHs）、適應(yīng)后的移民（ANs）和低海拔原住民（NLs）。經(jīng)過質(zhì)控（quality control，QC）后，保留了約5.1M常見遺傳變異和445K DNA甲基化探針。
圖1：研究設(shè)計示意圖。
② 進(jìn)行甲基化組全關(guān)聯(lián)研究（MWAS），以研究與高原短期適應(yīng)（STA）和長期適應(yīng)（LTA）相關(guān)的DNA甲基化變化。通過比較NHs和ANs，鑒定了與長期適應(yīng)相關(guān)的差異甲基化位點（DMSs）；通過比較ANs和NLs，鑒定了與短期適應(yīng)相關(guān)的DMSs。
③ 利用表觀遺傳時鐘分析來評估這三組人群的衰老加速情況，還測試了八類行為和生物醫(yī)學(xué)表型與居住在青藏高原的受試者衰老加速之間的關(guān)聯(lián)。
④ 利用可用的基因型和DNA甲基化數(shù)據(jù)進(jìn)行甲基化定量性狀位點（meQTL）分析，并探討了遺傳分化在驅(qū)動長期適應(yīng)DMSs中的作用。
（2）鑒定與高原適應(yīng)相關(guān)的差異甲基化位點（DMSs）
鑒定出93個與短期適應(yīng)（STA）相關(guān)的DMSs，主要富集在細(xì)胞周期相關(guān)基因附近。
鑒定出4070個與長期適應(yīng)（LTA）相關(guān)的DMSs，主要富集在免疫疾病和鈣信號通路相關(guān)基因附近。STA和LTA的DMSs沒有重疊，且甲基化水平的變化方向相反。
圖2：STA和LTA的甲基化組全關(guān)聯(lián)研究（MWAS）分析。
a/c. STA（a）和LTA（c）的MWAS結(jié)果的曼哈頓圖。b/d. QQ（quantile-quantile）圖顯示STA（b）和LTA（d）的bacon校正的P值（y軸）與在零假設(shè)下的預(yù)期分布（x軸）的關(guān)系。
e. STA DMSs的功能元件富集。
f. LTA DMSs的功能元件富集。
（3）DMSs在生物學(xué)通路和基因本體（Genebody）中的富集
STA的DMSs主要富集在細(xì)胞周期相關(guān)通路中，表明細(xì)胞周期相關(guān)過程在STA中起主要作用。LTA的DMSs主要富集在免疫疾病和鈣信號通路中，可能與高原環(huán)境中的炎癥和感染適應(yīng)有關(guān)。
圖3：STA和LTA的基因集富集分析。
a-d. 基因集富集分析顯示前10個KEGG和GO富集氣泡圖。y軸表示生物學(xué)通路/過程，x軸表示富集顯著性。氣泡大小表示該集合中的基因數(shù)量。虛線表示FDR閾值為0.05。STA的KEGG富集（a），LTA的KEGG富集（b），STA的GO富集（c），LTA的GO富集（d）。
（4）meQTLs的識別與驗證
meQTL分析鑒定出13464132個順式meQTLs和330624個反式meQTLs，這些遺傳變異與DNA甲基化位點顯著相關(guān)。并在歐洲人群中驗證這些meQTLs，顯示出與東亞人群高度一致效應(yīng)。
圖4：THCH的meQTLs表征及其在優(yōu)先排序與復(fù)雜性狀相關(guān)的DNA甲基化探針中的表現(xiàn)。
a.全基因組中順式（cis）和反式（trans）meQTLs位置。每個點代表一個meQTL，其中x軸表示CpG位點位置，y軸表示SNP位置，點的顏色基于SNP所在的染色體。虛線表示染色體邊界。對角線顯示了整個基因組中順式meQTLs的分布密度。b.不同數(shù)據(jù)集/人群中meQTL效應(yīng)大小相關(guān)性的熱圖。分析包括三個數(shù)據(jù)集/人群：本研究中的THCH數(shù)據(jù)（中國人群，東亞祖源，EAS）、新加坡iOmics數(shù)據(jù)（東南亞人群）以及Lothian出生隊列（LBC）和布里斯班系統(tǒng)遺傳學(xué)研究（BSGS）數(shù)據(jù)的薈萃分析（歐洲祖源，EUR）。
c.順式meQTLs在基因組元件中的富集情況。
d. 反式meQTLs在基因組元件中的富集情況。
e.與32種復(fù)雜性狀相關(guān)的DNAm探針數(shù)量的條形圖。
（5）遺傳分化在驅(qū)動LTA DMS中的作用
遺傳分化分析揭示LTA DMSs的遺傳變異與高原適應(yīng)相關(guān)，表明遺傳分化在高原適應(yīng)中起重要作用。共定位分析揭示與高原適應(yīng)相關(guān)的遺傳信號與DNA甲基化信號共享相同的因果變異。
圖5：遺傳分化在驅(qū)動長期適應(yīng)（LTA）差異甲基化位點（DMSs）中的作用。
a. 在已知適應(yīng)性位點的主效變異作為協(xié)變量加入后的甲基化組全關(guān)聯(lián)研究（MWAS）分析。b-c. 使用SMR分析鑒定meQTL信號和高原遺傳適應(yīng)信號共享相同因果變異的遺傳位點。b圖為2號染色體上的EPAS1區(qū)域，c圖為1號染色體上的EGLN1區(qū)域。
（6）表觀遺傳時鐘分析揭示適應(yīng)后移民的加速衰老
表觀遺傳時鐘分析揭示適應(yīng)后移民的表觀遺傳年齡顯著高于其實際年齡，表明高原環(huán)境可能導(dǎo)致加速衰老。風(fēng)險因素分析揭示陽光暴露和血液細(xì)胞成分與加速衰老顯著相關(guān)。
圖6：表觀遺傳年齡預(yù)測。
a.以實際年齡（y軸）對BLUP模型預(yù)測年齡（x軸）的散點圖。每個點代表一個個體，每個panel代表THCH隊列中的一個群體。紅線表示斜率為1、截距為0的線。panel左上角的數(shù)字是決定系數(shù)（R2）。b.三個群體的年齡加速殘差（age acceleration residual，AAR）的箱線圖。箱上方的P值表示兩個群體之間平均AAR差異的統(tǒng)計顯著性。箱下方的P值表示所有三個群體之間平均AAR差異的顯著性。
易小結(jié)
本研究通過大規(guī)模的甲基化組關(guān)聯(lián)研究，揭示了高原適應(yīng)過程中DNA甲基化的特異性模式，并發(fā)現(xiàn)適應(yīng)后移民存在加速衰老現(xiàn)象。這些發(fā)現(xiàn)為理解高原適應(yīng)的分子機(jī)制提供了新的視角，并為開發(fā)靶向高原相關(guān)疾病和衰老的干預(yù)策略提供了理論依據(jù)。
MWAS分析、meQTLs分析和表觀遺傳時鐘分析在本研究中的重要作用
在本研究中，甲基化組關(guān)聯(lián)分析（MWAS）、甲基化定量性狀位點（meQTLs）分析和表觀遺傳時鐘分析發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，分別從不同的角度揭示了高原適應(yīng)的表觀遺傳機(jī)制和相關(guān)生物學(xué)過程。
MWAS分析：MWAS通過比較不同群體的DNA甲基化水平，識別出與高原短期適應(yīng)（STA）和長期適應(yīng)（LTA）相關(guān)的DMSs，揭示了生物學(xué)通路的差異，提供環(huán)境適應(yīng)的分子證據(jù)。
meQTLs分析：通過鑒定與DNA甲基化相關(guān)的遺傳變異，揭示了遺傳分化在高原適應(yīng)中的作用，為理解高原適應(yīng)的遺傳基礎(chǔ)提供了重要線索。
表觀遺傳時鐘分析：通過評估表觀遺傳年齡與實際年齡的差異，揭示了高原環(huán)境對衰老的影響，為開發(fā)抗衰老策略提供了潛在靶點。
參考文獻(xiàn)：
Cheng, F., Shen, RJ., Zheng, Z. et al. Distinct methylomic signatures of high-altitude acclimatization and adaptation in the Tibetan Plateau. Cell Discov 11, 45 (2025). https://doi.org/10.1038/s41421-025-00795-z
標(biāo)簽：
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