基于血漿游離DNA全基因組甲基化圖譜揭示年齡與性別相關(guān)表觀遺傳特征及其健康監(jiān)測價值
《Communications Medicine》：Whole-genome profiling of age- and sex-associated DNA methylation signatures in human plasma cell-free DNA
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時間：2025年11月30日
來源：Communications Medicine 6.3
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本研究針對現(xiàn)有DNA甲基化研究多局限于芯片覆蓋位點(diǎn)、難以全面揭示年齡與性別對全基因組甲基化影響的問題，通過對98名22-77歲健康成年人血漿游離DNA進(jìn)行全基因組重亞硫酸鹽測序，首次在全基因組層面系統(tǒng)繪制了年齡與性別相關(guān)的cfDNA甲基化圖譜。研究發(fā)現(xiàn)3047個年齡相關(guān)CpG位點(diǎn)（對應(yīng)1587個基因）和1053個性別相關(guān)CpG位點(diǎn)（對應(yīng)324個基因），其中多數(shù)為新發(fā)現(xiàn)位點(diǎn)；構(gòu)建的cfDNA表觀遺傳時鐘（125個CpG位點(diǎn)）展示出較高年齡預(yù)測精度（r=0.91，MAE=3.74年）；組織溯源分析揭示單核/巨噬細(xì)胞、粒細(xì)胞和肝細(xì)胞來源cfDNA與年齡、性別存在顯著關(guān)聯(lián)，并在個體健康異常者中發(fā)現(xiàn)特定細(xì)胞類型cfDNA比例異常。該研究為年齡相關(guān)和性別偏倚疾病機(jī)制提供新見解，證實(shí)cfDNA甲基化特征作為健康監(jiān)測生物標(biāo)志物的巨大潛力。
隨著人口老齡化進(jìn)程加速，深入理解衰老的生物學(xué)機(jī)制已成為生命科學(xué)領(lǐng)域的焦點(diǎn)課題。DNA甲基化作為重要的表觀遺傳修飾，在基因表達(dá)調(diào)控和衰老進(jìn)程中扮演關(guān)鍵角色。然而，現(xiàn)有研究多采用Illumina 450K/850K甲基化芯片，僅覆蓋人類基因組約3%的CpG位點(diǎn)，這嚴(yán)重限制了我們對全基因組范圍內(nèi)年齡和性別相關(guān)甲基化模式的認(rèn)識。與此同時，血漿細(xì)胞游離DNA(cfDNA)因其無創(chuàng)、實(shí)時反映機(jī)體生理病理狀態(tài)的獨(dú)特優(yōu)勢，已成為液體活檢的重要工具，但其在健康人群年齡與性別差異方面的系統(tǒng)研究仍較為缺乏。
在這項(xiàng)發(fā)表于《Communications Medicine》的研究中，研究人員通過高深度的全基因組重亞硫酸鹽測序(WGBS)技術(shù)，對98名22-77歲健康成年人的血漿cfDNA甲基化譜進(jìn)行了全面分析，揭示了年齡和性別對cfDNA甲基化的深刻影響，并探索了其作為健康監(jiān)測生物標(biāo)志物的潛力。
研究采用了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)方法：從98名健康成年人（52名女性、46名男性）采集外周血樣本，通過兩步離心法分離血漿并提取cfDNA；使用SPLAT單鏈文庫構(gòu)建技術(shù)進(jìn)行WGBS文庫制備，在DNBSEQ平臺進(jìn)行100-bp雙端測序，平均測序深度>30×；使用BitMapperBS進(jìn)行序列比對，MethylDackel計(jì)算甲基化水平；通過線性回歸模型識別年齡和性別相關(guān)CpG位點(diǎn)；采用彈性網(wǎng)絡(luò)回歸構(gòu)建表觀遺傳時鐘；利用已發(fā)表的甲基化圖譜進(jìn)行組織溯源分析。
研究人員共鑒定出3047個與年齡顯著相關(guān)的自體CpG位點(diǎn)，其中2854個位點(diǎn)（94%）呈現(xiàn)隨年齡增長甲基化水平下降的負(fù)相關(guān)關(guān)系，193個位點(diǎn)（6%）呈現(xiàn)正相關(guān)。這些位點(diǎn)顯著富集于啟動子、5'UTR、增強(qiáng)子、CpG島和CpG岸等基因調(diào)控區(qū)域。與現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫對比發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)年齡相關(guān)CpG位點(diǎn)為首次報道，僅71個和208個位點(diǎn)分別被450K和850K芯片覆蓋。這些位點(diǎn)對應(yīng)1587個基因，其中FIGN基因包含最多年齡相關(guān)CpG位點(diǎn)（58個）。功能富集分析顯示這些基因顯著富集于cAMP信號通路、TNF信號通路、TRP通道調(diào)控、癌癥、GnRH分泌和神經(jīng)退行性病變等與衰老密切相關(guān)的通路。
基于3047個年齡相關(guān)CpG位點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個包含125個CpG位點(diǎn)的cfDNA甲基化時鐘模型。該模型在留一法交叉驗(yàn)證中表現(xiàn)出較高預(yù)測精度，實(shí)際年齡與表觀遺傳年齡的Pearson相關(guān)系數(shù)達(dá)0.91，中位絕對誤差為3.74年。外部驗(yàn)證數(shù)據(jù)集（23名健康個體）也證實(shí)了模型的可靠性（r=0.94，MAE=9.44年）。與現(xiàn)有表觀遺傳時鐘相比，本研究中的大多數(shù)CpG位點(diǎn)為新發(fā)現(xiàn)位點(diǎn)，僅少數(shù)與Hannum時鐘（2個）和Horvath皮膚與血液時鐘（3個）重疊。
在自體染色體上，研究鑒定出1053個與性別顯著相關(guān)的CpG位點(diǎn)，包括727個女性高甲基化位點(diǎn)和326個男性高甲基化位點(diǎn)。這些位點(diǎn)對應(yīng)324個基因，其中LINC01597基因包含最多女性高甲基化位點(diǎn)（33個），PTPRN2/LOC105375614基因包含最多男性高甲基化位點(diǎn)（16個）。功能分析顯示這些基因顯著富集于MAPK信號通路、鈣信號通路、唾液分泌、嗎啡成癮等通路，以及多種與神經(jīng)功能相關(guān)的GO條目，與已知的性別偏倚疾病機(jī)制相吻合。
在X染色體上，研究人員發(fā)現(xiàn)638，599個CpG位點(diǎn)（64%）顯示性別差異，其中29，446個位點(diǎn)達(dá)到更嚴(yán)格顯著性閾值。通過分析女性與男性甲基化水平的相關(guān)性，識別出五種甲基化模式：模式A（28，464個位點(diǎn)）在女性中甲基化水平顯著更高，可能反映X染色體失活（XCI）；模式B（13，018個位點(diǎn)）在兩性中均低甲基化（<0.25），可能逃避XCI；模式C（561，972個位點(diǎn)）在兩性中均高甲基化（>0.75）；模式D（265，880個位點(diǎn)）在男性中甲基化水平更高；其余為模式其他（121，573個位點(diǎn)）。功能分析顯示模式A和B的基因顯著富集于NF-κB通路、原發(fā)性免疫缺陷、Polycomb抑制復(fù)合體等與XCI狀態(tài)相關(guān)的通路。
組織溯源分析顯示，粒細(xì)胞、紅細(xì)胞前體細(xì)胞、單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞和NK細(xì)胞等血細(xì)胞是cfDNA的主要來源。研究發(fā)現(xiàn)粒細(xì)胞來源cfDNA比例隨年齡增長僅在女性中顯著增加，單核/巨噬細(xì)胞來源cfDNA比例在年輕女性中高于男性，且隨年齡增長僅在女性中顯著下降。肝細(xì)胞來源cfDNA在器官中占比最高，且在老年男性中顯著高于年輕男性和女性群體，與ALT、AST、GGT等肝功能指標(biāo)呈正相關(guān)，與高密度脂蛋白膽固醇（HDLC）呈負(fù)相關(guān)。
研究還發(fā)現(xiàn)了幾例組織溯源結(jié)果異常的個體：EB069（痛風(fēng)病史）單核/巨噬細(xì)胞來源cfDNA比例異常高；EB080（高血壓）粒細(xì)胞來源cfDNA比例異常高；EB005（血小板增多癥）紅細(xì)胞前體和巨核細(xì)胞來源cfDNA比例異常高；EB071（肝酶升高）肝細(xì)胞來源cfDNA比例最高。這些發(fā)現(xiàn)表明cfDNA組織溯源可能反映個體潛在健康問題。
該研究通過全基因組cfDNA甲基化分析，首次在全基因組層面系統(tǒng)揭示了健康人群中年齡和性別對甲基化模式的深刻影響。發(fā)現(xiàn)的年齡和性別相關(guān)CpG位點(diǎn)及基因?yàn)槔斫饩窦膊 ⑻悄虿 ⒆陨砻庖呒膊〉饶挲g相關(guān)和性別偏倚疾病提供了新視角。構(gòu)建的cfDNA表觀遺傳時鐘展示了基于液體活檢進(jìn)行生物學(xué)年齡評估的可行性。組織溯源分析結(jié)果不僅揭示了年齡和性別對cfDNA細(xì)胞來源的影響，還通過異常個體案例證明了cfDNA甲基化特征在健康監(jiān)測中的應(yīng)用潛力。盡管存在樣本量有限、人群特異性等局限性，該研究為未來cfDNA甲基化研究和液體活檢應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)，推動了表觀遺傳學(xué)在精準(zhǔn)健康領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。
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