亲本效应（Parent-of-origin effects, POE）是表观遗传学中的一个核心现象，指基因的表达水平及其最终表型取决于该基因是来自父本还是母本。这种现象在哺乳动物的胚胎发育、基因组印记、某些遗传疾病的发生以及农业动物育种中的杂种优势利用方面扮演着关键角色。然而，由于二倍体生物基因组中父母本单倍型的精确区分存在巨大技术挑战，例如缺乏明确的trio家系信息、用于分型的杂合SNP位点数量不足且分布不均，以及短读长测序技术难以构建长的单倍型区块，导致对POE背后全面的表观遗传调控机制的解析一直进展缓慢。

2025年8月，来自江西农业大学猪遗传改良与种质创新全国重点实验室的黄路生院士团队联合四川农业大学的李明洲教授团队在Nature Communications期刊（IF=15.7）上发表了题为Mechanism of parent-of-origin effects revealed by multi-omic data in euro-chinese hybrid pigs的研究论文，研究通过杂交欧洲商业猪种和中国地方猪种，构建三组家系，开发phase-tag分型策略，并采集背脂和背最长肌组织，进行基因组、转录组、DNA甲基化、组蛋白修饰以及Hi-C三维基因组等多组学测序和分析，系统地揭示了DNA甲基化、组蛋白修饰和三维染色质结构在POE中的多层级复杂调控机制，为理解杂交后代优良性状的遗传规律提供了新的见解和丰富的资源。

研究结果

1. 杂交猪多组学测序及数据质控

研究通过杂交三对欧亚猪种（大白×二花脸，杜洛克×两广，巴克夏×赣西）构建了三组三重家系，每个家系包含两个杂交后代（图1a）。对90-100日龄杂交后代的背脂（BF）和背最长肌（LD）组织进行了全面的多组学测序。RNA-seq数据表明，BF和LD组织的基因表达存在明显差异（图1b）。DNA甲基化分析显示，BF的整体甲基化水平高于LD，且在转录起始位点（TSS）附近呈现典型的低甲基化特征（图1c）。CUT&Tag结果显示，不同组蛋白修饰和CTCF的信号在样本间具有高度可重复性，且激活型修饰（如H3K27ac, H3K4me3）在TSS附近富集（图1d-e）。Hi-C数据达到了1kb的高分辨率，能够精确捕捉染色质的高级结构（图1f）。以上多组学数据为后续的单倍型分型分析奠定了坚实基础。

图1：杂交猪多组学测序及数据质控

2. 单倍型分型策略的构建与评估

为精准区分亲代相位的遗传与表观差异，研究开发了基于家系信息、长读长与短读长测序结合的phase-tag分型策略，能够高效准确地将测序reads分配至父本或母本单倍型（图2a）。评估显示，分型的转换错误率极低（0.19%-0.25%）（图2b），全基因组范围内父母本可分配reads的比例介于48.93%至63.02%之间（图2c）。尽管基因组上仍存在少量SNP稀疏区域（图2d），但与传统的trio binning方法相比，phase-tag策略能够有效分型父母本共享的杂合位点，显示出更强的分型能力（图2e）。例如在chr1:742,381-747,833区域，长读长测序能够将双亲皆为杂合的SNP位点准确分型，而trio binning方法在此区域则无能为力（图2f）。这套高效的分型流程为在全基因组水平上研究亲本特异性的基因表达和表观遗传调控提供了可能。

图2：单倍型分型策略的构建与评估

3. 亲本效应的多组学信号

通过分型分析，在BF和LD组织中分别鉴定出7466和6544个亲本特异性表达基因（PSEs），其中有3848个为两种组织所共有（图3a）。在DNA甲基化层面，共鉴定出超过10万个亲本特异性甲基化区域（PSMRs），其主要富集在基因的UTR区域（图3b）。组蛋白修饰和CTCF结合位点也显示出广泛的亲本特异性（PSHMs和PSCTCF），平均约10%的peak存在亲本间差异（图3c）。三维基因组结构分析发现，约5.8%的染色质区室（compartment）存在亲本特异性转换，但其分布在父本和母本间无显著偏好性（图3d）。同时，鉴定出7884个亲本特异性TAD边界（PSTAD boundaries），其中65.6%表现为典型的差异类型（合并、移位、分裂），表明在一个单倍型中形成了新的TAD或亚TAD结构（图3e）。整合分析显示，尽管大部分PSEs（BF: 89.73%; LD: 70.21%）与PSMRs相关，但也有相当一部分PSEs受到PSHMs、PSCTCF、PSTAD boundaries和PS Loops的调控，表明POE的调控机制具有复杂性（图3f）。

图3：亲本效应的多组学信号

4. DNA甲基化调控的亲本效应

POE主要与基因组印记相关，而印记通常由亲本特异的DNA甲基化模式驱动。研究发现PSEs的分布与PSMRs的分布高度相似，并且包含了70%的已知印记基因（图4a）。研究进一步将在一半以上样本中均呈现一致亲本偏好性表达的PSEs定义为“类印记”基因，且鉴定出683个（BF）和693个（LD）“类印记”基因。相关性分析表明，在类印记基因中，启动子区域的甲基化差异与基因表达差异呈显著负相关（图4b）。典型的印记基因如PEG3、SNRPN等，其启动子在母本单倍型上完全甲基化，导致基因仅在父本单倍型上表达（图4c）。研究还发现了一个新的可能受DNA甲基化调控的基因ADHIC，其在母本单倍型上启动子低甲基化且高表达，该模式在BF和LD组织中高度保守（图4d-4e）。对其转录本结构分析进一步揭示了亲本特异性表达的潜在原因（图4f-g）。此外，组织特异性类印记基因，如BF中的PLIN1和LD中的KPTN，也受到组织特异性PSMRs的调控，反映了与组织功能相关的特异性。

图4：DNA甲基化调控的亲本效应

5. 组蛋白修饰与染色质结构调控的亲本效应

研究表明，组蛋白修饰（PSHM）和CTCF（PSCTCF）同样在调控PSEs中发挥重要作用。在启动子区域，约18.37%（LD）和11.18%（BF）的PSEs与PSHM相关（图5a-c）。组织间保守的PSEs（如THYN1和PLAC8）在两种组织中受相似的PSHM模式调控（图5d-e）。而组织特异性的PSEs则受相应的组织特异性PSHM调控，例如，在肌肉发育中重要的LD特异性基因MUSK，其母本高表达与母本H3K27ac信号增强相关；而与体重增加相关的BF特异性基因IMMP2L，其母本高表达也与母本H3K27ac信号相关，但在LD中表达平衡（图5f-g）。在调控区域，通过染色质环（Loop）连接的远端增强子也能调控PSEs。例如，基因MTSS1的父本高表达与上游调控区域的父本H3K27ac和H3K4me1信号增强相关，该区域通过一个相位平衡 loop 与启动子相连（图6a）。荧光素酶报告基因实验、3C-qPCR以及CRISPR/Cas9介导的增强子敲除实验均证实了该远端增强子对MTSS1表达的调控功能（图6b-e）。

图5-6：组蛋白修饰与染色质结构调控的亲本效应

6. 多组学整合揭示复杂的POE调控机制

研究进一步揭示了复杂的POE通常由多种表观遗传修饰共同调控。共定位分析发现，活性组蛋白修饰（H3K27ac, H3K4me3, H3K4me1）和CTCF倾向于与低甲基化单倍型共定位，而抑制性修饰H3K27me3则与高甲基化单倍型共定位（图7a）。研究以经典的H19-IGF2印记基因簇为例，在猪肌肉组织中验证了其复杂的多层级调控模型：母本单倍型上印记控制区（ICR）未甲基化，CTCF结合形成绝缘子，阻碍增强子对IGF2的激活，促进H19表达；而父本单倍型上ICR甲基化，阻止CTCF结合，形成一个较大的TAD，使得增强子能够激活IGF2的表达（图7b-c）。此外，研究还发现SGCE-PEG10位点存在类似的复杂调控模式。该位点的PSMR（表现为母本高甲基化）作为一个ICR，通过调控CTCF结合形成PS TAD边界，并建立亲本特异性的增强子-启动子互作（PS Loop），最终导致SGCE和PEG10的印记表达（图7d-f）。这些发现系统地阐释了DNA甲基化如何通过影响CTCF结合和三维基因组结构，进而导致复杂的POE。

图6：多组学整合揭示复杂的POE调控机制

研究结论

本研究通过构建欧亚杂交猪模型和开发高效的phase-tag分型策略，成功绘制了单倍型分辨的多组学图谱。研究不仅证实了DNA甲基化在POE中的核心作用，还深入揭示了组蛋白修饰和三维染色质结构的重要贡献。通过整合多组学数据，研究扩展了H19-IGF2这一经典印记调控模型在猪中的适用性，并首次系统解析了SGCE-PEG10位点的复杂POE调控机制。这些发现表明，POE的调控是一个由多层表观遗传修饰协同作用的复杂网络。该研究为理解杂种优势的表观遗传基础提供了宝贵的资源和新颖的见解，对动物遗传育种和生物医学研究具有重要的理论和实践意义。

参考文献：

Li C, Ge M, Long K, et al. Mechanism of parent-of-origin effects revealed by multi-omic data in euro-chinese hybrid pigs[J]. Nature Communications, 2025, 16(1): 7542.

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