导读

同卵 (MZ) 双胞胎是受精卵在着床前分裂时产生的，其发生的原因和频率是人类发育生物学长期以来的一个谜团。MZ双胞胎会增加孕妇临产、围产期和新生儿并发症等层面的风险，多达12%的女性在怀孕时可能以多胎妊娠开始，但只有不到2%会最终生育。由于MZ双胞胎很少在家族中遗传，目前主要的观点认为MZ孪生是随机发生的。

MZ孪生事件发生在发育早期，这时正是主要的表观遗传发生重编程的时期。受精后不久，着床前胚胎会经历多个DNA整体去甲基化过程，随着多能性细胞向不同的谱系转移，甲基化开始重新发生。DNA甲基化对胚胎发育至关重要，但与MZ双胞胎的关系还是未知的。

近日，荷兰阿姆斯特丹自由大学研究团队在Nature Communications在线发表了题为“Identical twins carry a persistent epigenetic signature of early genome programming”的研究文章。研究团队利用不同双胞胎的DNA甲基化阵列数据，比较了同卵双胞胎（MZ）和异卵双胞胎（ DZ）的甲基化模式，发现了数百个不同组间甲基化的位点，包括多梳抑制区域内的一些CpG位点或涉及细胞粘附或细胞命运的异染色质，揭示了潜在的孪生机制。此外，研究团队还发现MZ双胞胎与成年体细胞组织中稳定的DNA甲基化特征密切相关。

文章发表在Nature Communications

主要研究内容

多队列分析确定MZ双胞胎成年体细胞组织的DNA甲基化特征

为了检验MZ双胞胎是否与表观基因组图谱相关，研究团队分析了来自6个独立双胞胎队列样本的DNA甲基化阵列数据，对照组为异卵双胞胎。通过表观基因组关联研究（EWAS）发现，MZ和DZ双胞胎之间存在243个表观基因组显著差异的甲基化位点（Differentially Methylated Positions, DMPs），甲基化的绝对差异范围为0.3%~ 6%。此外，在四个独立的双胞胎队列中进行的重复分析显示，这些差异具有很强的一致性，效应值的相关性范围为0.84~0.97。

图1. 四个独立双胞胎队列的DNA甲基化数据相关性分析。图片来源：Nature Communications

接下来，研究团队将所有血液EWAS结果整合后进行meta分析（总样本量= 5723，占样本量的88%），分析结果显示，共有834个统计学显著的CpGs（MZ-DMP），其中497个为低甲基化水平（MZ-hypo-DMPs），337个为高甲基化水平（MZ-hyper-DMPs）。研究团队发现不同的甲基化位置并不是随机分布的：低甲基化位点在端粒附近和多梳抑制区域富集；高甲基化位点在着丝粒附近、异染色质和ZNF基因及重复序列中富集。此外，在CpG岛和基因间区域也发现了低甲基化和高甲基化位点。

图2. 基于血液DNA甲基化数据的EWAS meta-分析。图片来源：Nature Communications

研究团队比较了双绒毛膜双羊膜MZ双胞胎（DCDA，占所有MZ双胞胎的1/3）、单绒毛膜双羊膜MZ双胞胎（MCDA，占所有MZ双胞胎的2/3）和单绒毛膜单羊膜MZ双胞胎（MCMA，数量占不到1%，被认为是晚分裂事件）的DNA甲基化信息。

结果显示，834个MZ-DMPs中有833个存在于儿童的甲基化数据集；双胎平均相关性最高的是MCMA，其次是DCDA和MCDA。此外，在单绒毛膜和双绒毛膜相关的CpGs中，最独特的是5q31染色体上原钙粘蛋白（PCDH）超家族基因簇中的多个CpGs和KCNE1中的多个CpGs，它们共同参与心脏QT间期钾通道的搭建。

图3. MZ-DMPs的鉴定。图片来源：Nature Communications

差异DMPs主要与早期基因组编程、早期胚胎发育和细胞粘附功能相关

为了研究MZ-DMPs的潜在功能后果，研究团队首先评估了MZ-DMPs是否与转录因子结合（TF）位点重叠。TF motif分析显示，MZ-hypo-DMPs在31个TF motif中显著富集，包括Distal-Less Homeobox 1（DLX1）、Engrailed Homeobox 1（EN1）、雌激素相关受体 Alpha（ESRRA）等。基于DMP基因的通路分析结果显示，MZ-hyper-DMPs在维甲酸受体信号传导的生物过程、细胞粘附等通路显著富集，表明其与“细胞命运特化”、早期发育显著相关。

图4. MZ-hypo-DMPs相关基因的通路富集分析。图片来源：Nature Communications

图5. MZ-hyper-DMPs相关基因的通路富集分析。图片来源：Nature Communications

结语

综上所述，该研究发现同卵双生具有反映早期基因组事件的特有表观遗传特征，与成年体细胞组织中持续的DNA甲基化特征有关。此外，研究团队鉴定出的834个差异CpG位点主要富集于多梳抑制区域和异染色质，参与细胞粘附、细胞命运特化等过程。这些发现将成为进一步功能研究的起点，为重建导致合子分裂的精确分子事件提供参考。

该研究通讯作者、第一作者阿姆斯特丹大学助理教授Jenny van Dongen表示：“该研究发现解释了MZ双胞胎事件的分子特征，这是领域内的一个重大进步，但对MZ双胞胎形成的确切机制、甲基化差异产生的具体机制等方面的探索还需进一步的功能研究。”

参考文献

1. van Dongen, J., Gordon, S.D., McRae, A.F. et al. Identical twins carry a persistent epigenetic signature of early genome programming. Nat Commun 12, 5618 (2021).

2. Jones, P. A. Functions of DNA methylation: islands, start sites, gene bodies and beyond. Nat. Rev. Genet. 13, 484–492 (2012).

3. Das, S. et al. Next-generation genotype imputation service and methods. Nat. Genet. 48, 1284–1287 (2016).