温度的可预测性以及鸟类的引入历史会影响全球分布的鸣禽中调控DNA甲基化的基因的表达

《Journal of Avian Biology》：Temperature predictability and introduction history affect the expression of genes regulating DNA methylation in a globally distributed songbird

　　家雀不同地理种群中DNA甲基化相关酶基因表达差异及环境关联性研究。比较9国家雀肝、脾、肠组织中DNMT1、DNMT3、TET2表达，发现原产地、气候可预测性（温度/降水）和纬度显著影响基因表达，且存在组织特异性差异。原产地家雀及气候稳定区域酶表达较高，不同基因间存在显著个体内正相关，但国家间无基因间协同性。研究揭示了DNA甲基化调控在物种扩散中的潜在作用，为环境适应机制研究提供新证据。

　　### 一、研究背景与意义

生物在适应环境变化的过程中，常常依赖于其表型可塑性，即在同一世代内通过调整自身特征来应对环境的变化。这种可塑性在物种扩散过程中尤为重要，因为它可以促进快速适应新环境。DNA甲基化作为一种表观遗传机制，能够使生物体根据环境调整基因表达，因此可能在物种扩散中发挥关键作用。然而，目前我们对野生生物中DNA甲基化的调控机制了解甚少，特别是那些负责改变基因组甲基标记的酶类表达情况。本研究聚焦于家麻雀（*Passer domesticus*）这一全球分布广泛的鸟类，分析其三种DNA甲基化相关酶（DNA甲基转移酶1，DNMT1；DNA甲基转移酶3，DNMT3；以及一种十一种转录甲基胞嘧啶双氧酶，TET2）在三种组织（肠道、肝脏和脾脏）中的表达水平，以探讨这些酶是否在物种扩散过程中起到重要作用。

家麻雀的广泛分布使其成为研究表型可塑性与基因调控的理想对象。过去的研究表明，DNA甲基化在某些鸟类的分布扩展中扮演了重要角色。例如，在肯尼亚，家麻雀的引入可能始于20世纪50年代的人类航运活动，研究发现其基因与表观遗传变异之间存在显著的负相关。这一发现引发了关于DNA甲基化如何帮助某些个体在新环境中生存的猜测，例如通过增强表型可塑性或减少有害基因的影响。本研究试图进一步探讨这一现象，通过比较不同地区家麻雀的DNMT/TET酶表达水平，来揭示这些酶在适应环境中的潜在作用。

### 二、研究方法与过程

本研究通过捕捉来自九个国家的成年家麻雀，获取其基因表达数据。这些国家包括家麻雀的原产地（以色列、荷兰、挪威、西班牙和越南）以及过去150年中通过人类活动扩散至的新地区（澳大利亚、加拿大、新西兰和塞内加尔）。研究团队在这些地点分别采集了样本，并在实验中使用了多种方法，包括鸟类捕捉、饲养、组织采集以及基因表达分析。通过在捕获后将鸟类置于特定环境中，研究团队还评估了环境因素（如温度预测性、降水预测性、城市化程度等）对基因表达的影响。

研究过程中，首先通过迷雾网捕捉成年家麻雀，并测量其翼展、胫骨长度和体重。随后，采集约50微升的血液样本，用于DNA和RNA提取。在完成提取后，鸟类被注射脂多糖（LPS）以诱发系统性炎症反应，并在48小时后进行安乐死。研究团队在肝脏、脾脏和肠道中分别采集组织样本，并在-80°C下保存以备后续分析。这些组织的选择基于其在免疫系统中的重要性，因为它们是体内最活跃的淋巴组织之一。

基因表达分析采用了数字滴定PCR（ddPCR）技术，这是一种高精度的定量方法，能够准确测量特定基因的拷贝数。通过这一技术，研究团队对DNMT1、DNMT3和TET2的表达水平进行了定量分析。为了确保结果的可靠性，研究团队还进行了数据处理，包括对非正态分布的数据进行对数转换，并采用混合效应模型（mixed-effects model）来分析基因表达与组织、国家以及个体间的相互作用。

此外，研究团队还通过模型选择（model selection）方法，确定了哪些变量最能解释基因表达的差异。他们构建了三个全球模型，分别针对DNMT1、DNMT3和TET2，并在这些模型中纳入了多个可能影响基因表达的因素，如组织类型、种群类型（原生或非原生）、温度和降水的预测性、遗传群体、城市化程度、纬度、海拔和性别等。通过比较不同模型的AICc值，研究团队筛选出最能解释基因表达差异的模型，并进一步分析这些变量之间的相关性。

### 三、研究结果与分析

研究结果显示，DNMT1、DNMT3和TET2在原生区域和气候条件较为稳定的地区的家麻雀中表达水平较高。这表明这些酶可能在适应稳定环境方面发挥了重要作用。此外，研究团队发现，这些基因的表达水平在不同组织之间存在显著差异，但整体而言，表达水平在个体之间和国家之间具有一定的可重复性。这一结果意味着，基因表达模式可能在一定程度上反映了个体的适应策略或种群的遗传背景。

值得注意的是，尽管研究团队预期城市化程度会对基因表达产生显著影响，但结果表明城市化并不是所有基因表达变化的主要驱动因素。相反，纬度和温度预测性对基因表达的影响更为显著。例如，纬度越高，DNA甲基化相关基因的表达水平似乎也越高。这一发现可能与纬度对季节变化的敏感性有关，因为高纬度地区通常经历更显著的季节性变化，而这些变化可能需要更活跃的DNA甲基化调控机制来适应。

此外，研究团队还发现，这些基因的表达水平在不同组织之间存在显著的正相关关系。例如，在肝脏和脾脏中，DNMT1的表达水平与DNMT3和TET2的表达水平密切相关。这可能意味着，这些酶在细胞分化和基因调控中存在协同作用，或者它们的表达水平在不同组织中受到相似的调控机制影响。这种组织间的基因表达相关性为理解DNA甲基化在不同器官中的作用提供了新的视角。

然而，研究团队也指出，某些变量如性别、体重和降水预测性对基因表达的影响较弱。这可能表明这些因素在调控DNA甲基化相关基因表达中的作用有限，或者它们的影响在不同种群之间存在差异。尽管如此，研究结果仍揭示了多种环境和生态因素对基因表达的潜在影响，这些因素可能共同作用，塑造家麻雀的表型可塑性。

### 四、讨论与解释

研究结果引发了关于DNA甲基化在物种扩散过程中作用的深入讨论。尽管研究团队预期在非原生地区或气候预测性较低的地区，家麻雀会表现出更高的DNMT/TET表达水平，以增强其表型可塑性，但实际结果却显示相反的趋势。这种反向关系可能反映了DNA甲基化相关基因在不同环境下的不同调控策略。例如，在气候预测性较低的地区，家麻雀可能需要更稳定的基因表达模式，以应对频繁变化的环境条件，从而减少表型可塑性的需求。

此外，研究团队还探讨了温度预测性与纬度之间的关系。他们发现，温度预测性与纬度之间存在显著的负相关，这可能意味着纬度较高的地区通常具有更低的温度预测性。因此，某些基因表达的变化可能并非完全由温度预测性单独驱动，而是受到纬度这一更广泛的环境因素的影响。这种复杂的环境与基因表达之间的关系提示我们，需要更细致地研究这些因素如何相互作用，以揭示DNA甲基化在物种适应过程中的具体机制。

研究团队还提到，DNA甲基化相关基因的表达水平可能受到其他因素的影响，如遗传背景和个体的生理状态。例如，某些遗传群体可能在特定环境下表现出更高的基因表达水平，这可能与其进化历史有关。然而，研究团队并未对这些遗传差异进行深入分析，而是将重点放在了环境因素对基因表达的影响上。

在讨论中，研究团队还提到，DNMT/TET基因的表达水平可能在不同生命阶段发生变化。例如，幼年个体的基因表达模式可能与成年个体不同，这可能影响其适应新环境的能力。因此，未来的研究需要考虑不同年龄阶段的基因表达模式，以更全面地理解DNA甲基化在物种扩散中的作用。

### 五、研究的局限性与未来方向

尽管本研究提供了重要的见解，但其方法也存在一定的局限性。首先，研究团队仅测量了成年个体的基因表达水平，这可能忽略了幼年个体在适应过程中的重要作用。其次，研究仅覆盖了九个国家，这可能限制了结果的普遍性。未来的研究需要扩大样本范围，包括更多地区和种群，以验证这些基因表达模式是否具有全球性。

此外，研究团队在实验中使用了LPS处理，以模拟炎症反应。然而，这种处理可能对基因表达产生干扰，尤其是在不同种群之间。因此，未来的研究需要考虑如何排除这些实验因素的影响，以更准确地评估自然环境对基因表达的调控作用。

研究团队还建议，未来的研究应关注DNA甲基化相关基因的遗传变异，以及这些变异如何影响酶的表达水平和功能。例如，在肯尼亚的家麻雀中，基因组中的CpG含量被发现与表型可塑性有关，这可能表明某些DNA甲基化相关基因的变异在物种扩散中起到了关键作用。因此，探索这些基因的遗传多样性可能为理解表型可塑性的遗传基础提供新的线索。

最后，研究团队指出，随着生态表观遗传学技术的不断发展，我们正逐步深入理解表型可塑性在生物适应过程中的重要性。DNA甲基化作为一种重要的表观遗传机制，可能在多种生物过程中发挥关键作用，包括免疫系统的调控和环境适应。因此，未来的研究应进一步探索这些机制如何在不同物种和环境中发挥作用，以揭示表型可塑性的生态和进化意义。

### 六、结论与展望

综上所述，本研究揭示了DNA甲基化相关酶在不同地区家麻雀中的表达差异，以及这些差异如何与环境因素相关联。研究结果表明，这些酶可能在物种适应和扩散过程中起到重要作用，尤其是在气候条件较为稳定或纬度较高的地区。此外，研究还指出，这些基因的表达水平在不同组织之间存在显著相关性，这可能反映了其在细胞分化和基因调控中的协同作用。

尽管研究结果具有重要的科学价值，但其局限性也显而易见。例如，研究仅覆盖了九个国家，且未考虑幼年个体的基因表达模式。未来的研究需要进一步扩展样本范围，并采用更全面的方法来评估基因表达的动态变化。此外，探索DNA甲基化相关基因的遗传变异及其对表型可塑性的影响，也将有助于更深入地理解这些基因在生态和进化中的作用。

总的来说，本研究为生态表观遗传学领域提供了新的视角，并为未来的研究指明了方向。随着技术的进步和研究方法的完善，我们有望更全面地揭示DNA甲基化在生物适应和扩散中的作用，以及其如何与其他基因调控机制相互作用，以支持生物在复杂环境中的生存和繁衍。