作者:王育彬/有勁生物科技

 

由於次世代定序的協助,我們對人類基因體序列的掌握已有相當程度;要定出單一個體的基因體,在成本或技術上來說都不是難事,甚至連從基因體的比對參考來取得個體基因的異常資料、從基因重大缺陷來預測個體的疾病發生機率等,如今也都可算是垂手可得的知識與技術了。然而,單靠基因序列的分析卻仍難以得知某些疾病與基因的相關性,好比相同基因型卻出現不同表現型等諸如此類的情況;因此,後天環境影響基因表現的表觀遺傳學 (Epigenetic)便成了近年來熱門的研究主題之一。

 

DNA的甲基化 (Methylation)在表觀遺傳機制中扮演了相當重要的角色。胚胎發育過程中,不同基因與程度不等的DNA甲基化使幹細胞分化出不同型態及功能的各種細胞。此外個體成長的過程也會因為環境與食物等影響而引發DNA的甲基化,進而造成基因表現異常,衍生疾病甚至癌症。慢性腎臟病、第二型糖尿病及神經精神疾病如今都已被證實與DNA甲基化有著密切的關係。

 

甲基化晶片是目前偵測人類基因體甲基化的主要工具,其是從WGBS(whole-genome bisulphite sequencing;全基因組DNA甲基化定序)發展而來。這是把經過重亞硫酸鹽 (sodium bisulfite)處理的基因體序列與甲基化晶片上特別設計的探針 (probe)進行雜合 (hybridization)後,能將基因體是否有甲基化呈現出來的大量偵測技術;相較於原來的WGBS,不僅更方便,且成本更低、分析更快速。Illumina自2008年起便積極開發甲基化檢測相關晶片,由最早的 HumanMethylation27K BeadChip (HM27)、主流的HM450,到最新的Infinium MethylationEPIC (EPIC) BeadChip,隨著研究的進展,不僅可偵測的甲基化位點越來越密集,甲基化偵測的區域也增加了,如今的甲基化晶片分析結果已可全面反映樣本DNA的甲基化狀態。

 

最新的EPIC晶片除了包含HM450能呈現的絕大部分(93.3%)甲基化位點,還另外加上將近一倍的偵測位點─達到866,836個偵測位點。除了增加基因甲基化的偵測密度外,主要還強化了調控區域的甲基化偵測,包括FANTOM52 及 ENCODE3 projects中有列出的潛在強化子(enhancer),涵蓋率相較於HM450有大幅度提升4 (詳見圖一)。EPIC晶片於2015年底發表後,隨即被應用在各種相關研究,取代了原本HM450在甲基化分析上的主流地位,研究學者也因此能對研究樣本的甲基化有更詳細的了解。

 

 

圖一、HM450 與 EPIC 晶片的比較

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相較於HM450,EPIC晶片增用的探針大多是 Type II探針 (b圖)。以分布區域來說,EPIC晶片偵測密度整個提升至866,836個偵測位點,其中有超過半數(54%~即469,270個)的位點位於promoter基因區(c圖左),其他偵測位點密度有提高的區域,皆出現在調控區(c圖右)。(圖片來源:Pidsley, R., et al. Genome Biology. 2016 Oct; 17(1):208-225.)

 

 

NCBI的GEO (Gene Expression Omnibus)資料庫也收錄了許多藉由EPIC晶片所做的研究及分析資料,提供有興趣的人下載。希望讀者看完本文後,除了對甲基化晶片有更進一步的了解,也能嘗試從基因體序列定序的角度來探索生命的奧妙。

 

 

參考資料

1. Pidsley, R., Zotenko, E., Peters, T.J., Lawrence, M.G., Risbridger, G.P., Molloy, P., … Clark, S.J. (2016 Oct). Critical evaluation of the Illumina MethylationEPIC BeadChip microarray for whole-genome DNA methylation profiling. Genome Biology, 17(1):208-225.

https://doi.org/10.1186/s13059-016-1066-1

2. FANTOM5: Functional ANnoTation Of the Mammalian genome

http://fantom.gsc.riken.jp/5/

3. ENCODE: Encyclopedia of DNA Elements

https://www.encodeproject.org/

4. Moran, S., Arribas, C., & Esteller, M. (2016 Mar). Validation of a DNA methylation microarray for 850,000 CpG sites of the human genome enriched in enhancer sequences. Epigenomics, 8(3), 389-399.

https://doi.org/10.2217/epi.15.114

 

 

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