马铁菊头蝠冬眠行为的表观遗传机制研究

The populations of Northeast and Middle East lineages of Rhinolophus ferrumequinum have hibernating behavior. We are interesting in a series of scientific questions, including whether hibernation is regulated by epigenetics, are there dynamic changes in epigenetic information during hibernation, do the expression of these epigenetic information differ in the hibernating behavior of the two lineages and what’s their corresponding functions. We will monitor the body temperature and hibernating patterns during hibernation to reflect the differences of hibernated phenotypic between the two lineages. We will collect bats in non-hibernation and hibernation stages (entrance into topor, deep topor, arousal), and investigate the changes of epigenetic information and its potential function in brain, liver, and brown adipose tissues, respectively. The work contains the changes of the levels of genomic DNA methylation, the expression levels of epigenetic silencers, the methylation levels of CpG site in promoter of key hibernating genes, and the expression levels of microRNA. We also will explore the similarities and differences of epigenetic variations of hibernation between the two lineages and its possible functions. Our work would provide a new direction for the comprehensive, in-depth study of hibernation mechanism of R. ferrumequinum, and may support a certain scientific basis and reference for other hibernating animals.

马铁菊头蝠东北和中东谱系种群具有冬眠行为。冬眠是否受表观遗传调控，冬眠过程中表观遗传信息是否存在动态变化，这些表观遗传信息的表达在2个谱系的冬眠行为上是否有所差异及其相应的功能是什么，都是值得深入研究的科学问题。我们监测冬眠过程中，个体体温变化和种群的冬眠方式，以反映2个谱系间的冬眠表型差异。从非冬眠、冬眠期的入眠-深眠-觉醒4个阶段，分析与冬眠过程密切相关的大脑、肝脏和棕色脂肪3个组织的表观遗传信息变化，包括基因组DNA甲基化水平、表观沉默子表达水平、冬眠关键基因启动子CpG位点甲基化水平以及microRNA表达水平的变化，比较组织之间表观遗传信息的差异表达情况，发掘2个谱系之间冬眠的表观遗传变异的异同点及其潜在的功能。这些工作可为全面深入研究马铁菊头蝠冬眠机制提供新的方向，为其他冬眠动物的相关研究提供了一定的科学依据和借鉴。

马铁菊头蝠（Rhinolophus ferrumequinum）东北进化支和中东部进化支地理种群具有冬眠习性。冬眠过程中会经历多个冬眠阵，表观遗传信息，如DNA甲基化，是否参与冬眠过程的分子调控，以及关键的表观遗传信息如何帮助马铁菊头蝠适应冬眠，都是值得关注的内容。本研究采用甲基化敏感扩增多样性技术、全基因组重亚硫酸盐测序技术，及其与转录组的组学联合分析方法，对来自辽宁桓仁和河南济源的马铁菊头蝠样本，开展非冬眠、入眠、深眠、觉醒4个阶段的表观遗传信息及其潜在功能研究。马铁菊头蝠基因组具有较高的甲基化水平（约70%），以mCG为主要甲基化模式，并具有组织差异性和性别差异性。DNA甲基化水平在4个阶段中是动态变化的。相对于非冬眠阶段，3个冬眠阶段的DNA甲基化水平均高于非冬眠阶段，且存在大量的差异甲基化区域（DMRs），使得基因表达被普遍抑制，有利于低新陈代谢和长期蛰眠状态的维持。冬眠3个阶段之间仅有少量的DMRs，调控与冬眠阵期间代谢和应激有关的基因和通路。这些DMRs对应的基因与差异表达基因的重叠基因中，有24个是两个进化支所共有的，包括A1bg、Nfatc1、Oat、Socs2等已知与冬眠分子过程有关的关键基因。组学联合分析发现，DNA甲基化可通过顺式（基因启动子区甲基化）、反式（甲基化依赖的转录调控网络）以及结合表观沉默子的方式调控基因表达，参与马铁菊头蝠冬眠行为过程中代谢、免疫、应激、年昼夜节律以及生殖等方面的分子调节，以使其能应对冬眠所带来的高脂饮食、缺血-再灌注损伤、组织萎缩等生理压力。虽然两个进化支在DMRs对应的差异表达基因以及其功能富集上存在大量差异，但并没有挖掘到与两个进化支冬眠行为差异的相关基因或通路，这可能主要与两个进化支基因组差异有关。研究还发现与RNA水平甲基化相关的酶mRNA表达量也发生了动态变化，未来工作中会考虑RNA水平甲基化对冬眠的影响。本研究阐述了马铁菊头蝠冬眠行为的表观遗传机制，为冬眠进化研究提供了分子学上的理论依据。