现代养猪产业普遍采用专门化品系选育和配套系杂交，其目的是充分利用杂种优势。基因表达调控是将基因型转化为表型的关键步骤，而猪等位基因特异性表达（Allele-specific expression，ASE）现象被认为是引起猪杂种优势和遗传多样性的潜在机制。ASE与亲本基因型效应密切相关，并受复杂的顺式/反式作用调控，通常被认为在解释杂种和亲本之间基因表达差异方面起着关键作用。然而，大多数研究仅关注稳态RNA丰度，忽略了在不同组织和发育阶段的多层次基因调控变异。对ASE的系统性研究，不仅有助于完善基因表达调控的遗传解析，还为猪杂交育种和复杂疾病的机制研究提供了重要依据。
2024年7月3日，华南农业大学动物科学学院吴珍芳团队在Nature Communications杂志发表题为 “Multi-omic characterization of allele-specific regulatory variation in hybrid pigs” 的研究论文，该研究全面描述了猪的多个组织和发育阶段的调控变异。为理解猪的基因调控变异提供了全面的表征，并为育种、遗传学和功能基因组学研究提供了基础。
文章信息与样本技术方法
结果展示
图1 实验设计
图2 基因表达的组织和阶段特异性
接着，使用不同猪种的杂交实验有效地描述了等位基因特异性表达的景观，揭示了基因在父母单倍体上的表达差异。
图3 基因表达的等位基因特异性
作者进一步通过ATAC-Seq分析了不同组织和发育阶段的染色质可及性，发现染色质的开放性在不同组织和发育阶段表现出显著变化。染色质开放区域与组织特异性基因表达高度相关，表明染色质可及性在调控组织和阶段特异性基因表达中起关键作用。
图4 不同组织和发育阶段的染色质可及性
a.热图描绘了在所有TSS中标准化的ATAC-seq信号，按信号强度排序。大脑、肝脏、肌肉和胎盘显示信号。
b.D1期脑组织、肝脏和肌肉组织一致开放染色质中ATAC-seq信号归一化。
c.基于标准化ATAC-seq信号在一致开放染色质上的样本聚类树。
d.猪共识开放染色质相对于基因组特征的分布。
e.组织特异性表达基因热图显示了基因表达和基因启动子的染色质可及性。
f.ATAC-Seq信号在猪组织中的管家基因和几个具有组织特异性活性的基因。峰的高度表示ATAC-Seq reads在基因周围的密度分布
作者接下来对猪F40时期的猪进行全基因组DNA甲基化，它先于转录，也可能影响染色质的可及性。在四个组织中，脑和胎盘组织分别具有最高和最低的整体甲基化。虽然大脑和肌肉中的CpGs通常高度甲基化，但肝脏和胎盘中的甲基化在整个基因组中变化更大。发现非启动子区域的甲基化相对稳定，在内含子和3 ' utr(非翻译区域)中发现的平均甲基化最高。启动子的甲基化通常较低，在转录起始位点附近显示出一个清晰的谷。重要的是，我们发现启动子甲基化与同源基因表达呈显著负相关，这表明启动子甲基化是基因表达的一般负调控因子。
图5 猪组织DNA甲基化及其与基因表达和染色质可及性的关系
a.三维PCA图描绘了每个组织中CpG位点的甲基化水平，
b. CpG甲基化聚类。DL和LD分别代表杜洛克母×鲁莱公和鲁莱母×杜洛克公杂交品种。标签中的70表示样品来自F70发育阶段。字母F和M表示样本个体的性别，F代表母猪，M代表公猪。Br、Li、Mu、Pl分别代表脑、肝、肌、胎盘。
c.四种组织中CpG位点的甲基化水平(n = 12)。Y轴表示甲基化水平的百分比。
d四种组织中各甲基化水平的CpGs百分比排名。
e. CpG的平均甲基化水平显示在四个组织的启动子、5 ' UTR、外显子、内含子、3 ' UTR上。
f.基因启动子中CpGs甲基化水平与基因表达的相关性。颜色梯度表示数据点的密度，颜色越深表示密度越高。
g. 染色质可及强度与峰值CpGs平均甲基化水平的相关性。
h.脑特异性表达基因STMN4周围转录组、染色质可及性和甲基化信号的IGV快照。阴影表示本研究中鉴定的染色质可及性和甲基化中不同reads分布的大致区域。
总结
该研究设计了中西方猪种正反交杂交配套实验，首次系统研究了ASE的时空特异性，揭示了猪在不同发育时期、不同组织中的POE和 AGE分型，鉴定了174个POE基因和394个AGE基因），并绘制了猪不同发育阶段和不同组织特异性ASE图谱。发现在鉴定出的两类ASE基因中，POE基因与基因组印记相关，在猪早期胚胎发育、疾病的易感性和免疫性、肌肉骨骼生长发育过程中起到关键的调控作用；而AGE基因被认为可能与杂交优势相关，可作为种猪杂交配套、基因组选配的重要参考依据。
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