IF31.7｜遗传与环境如何分别塑造人类免疫细胞表观基因组

单细胞甲基化+ATAC揭示暴露与基因型对免疫细胞表观基因组的差异化调控。

这篇按生信解读号的读法拆：先看背景和问题，再看作者怎么做、做出了哪几条硬发现，最后把数据和代码收走。

研究背景

人类免疫细胞的表观基因组同时受到遗传因素和环境暴露的影响，但两者的相对贡献和调控机制尚不完全清楚。既往基于bulk组织的双胞胎研究估计CpG甲基化平均遗传力为5-19%，meQTL研究也发现了遗传变异与单个CpG位点甲基化的关联，但这些研究依赖bulk组织且通常使用芯片，缺乏全基因组、细胞类型特异性的解析。环境暴露（如病原体、化学物质）也被报道能改变DNA甲基化，但同样缺乏单细胞水平的系统比较。

科学问题

卡在哪里： 此前研究要么关注遗传对甲基化的影响，要么关注环境暴露的效应，但很少在同一批供体中同时系统鉴定eDMR和gDMR，且缺乏细胞类型特异性的全基因组数据。此外，遗传和环境因素在染色质不同区域（如增强子、基因体）的富集模式差异尚未被充分刻画。

本文要回答： 利用单细胞甲基化测序和ATAC-seq，系统解析病原体和化学暴露以及遗传变异如何分别与人类免疫细胞表观基因组改变相关联，并比较eDMR和gDMR的基因组分布和调控特征。

技术路线

作者主要用了：snMethyl-seq、snATAC-seq、FACS、meQTL、GWAS colocalization。

作者收集了110名供者的171份PBMC样本，涵盖HIV-1、IAV、MRSA/MSSA、炭疽疫苗、SARS-CoV-2和有机磷农药等暴露。通过FACS分选7种主要免疫细胞类型，进行单核甲基化测序和单核ATAC-seq。对于HIV-1和IAV，利用同一供者暴露前后的内部对照；其他暴露则使用健康供者作为外部对照。随后鉴定暴露相关差异甲基化区域（eDMR）和基因型相关DMR（gDMR），并整合两种组学数据，分析其基因组富集特征、与组蛋白修饰和染色质环的关系，以及meQTL与GWAS信号的共定位。

图 1　Fig. 1。图1展示了研究整体设计：从110名供者收集171份PBMC样本，涵盖HIV-1、IAV、COVID-19、MRSA/MSSA、炭疽疫苗和有机磷农药暴露。对PBMC进行FACS分选和单核甲基化测序及ATAC-seq，鉴定eDMR和gDMR。HIV-1和IAV有内部对照（感染前后），其他暴露使用健康供者作为外部对照。

核心亮点

亮点 1｜暴露重塑免疫细胞甲基化谱

对每个细胞类型进行聚类分析，发现不同暴露的细胞在聚类中呈现显著偏倚，尤其是HIV-1、SARS-CoV-2和MRSA/MSSA在单核细胞、CD4和CD8 naive T细胞中形成独特聚类。HIV-1感染前后同一供者的比较显示，感染显著改变了细胞在聚类间的比例，尤其在NK细胞、CD8记忆和naive T细胞中，表明HIV-1重塑了全局甲基化状态。COVID-19样本在单核细胞中形成两个特异性聚类，且与对照相比显著富集（P=2.05×10^-237），这些聚类中低甲基化基因富集IL-18信号通路和IL-1产生等功能。

图 2　Fig. 2。图2显示各细胞类型中暴露相关聚类的异质性。a部分展示每个细胞类型内聚类结果，不同暴露的细胞分布不均。b部分显示各暴露在聚类中的比例差异。c部分比较HIV-1和IAV感染前后同一供者的细胞比例变化，HIV-1显著改变NK细胞、CD8记忆和naive T细胞的比例。d-e部分聚焦HIV-1三个阶段（pre, acu, cro）的聚类分布及差异甲基化基因的功能富集。f-h部分展示COVID-19单核细胞特异性聚类及低甲基化基因的促炎功能富集。

亮点 2｜eDMR富集增强子而gDMR富集基因体

共鉴定出756,575个eDMR（517,698低甲基化，238,877高甲基化），平均每个暴露和细胞类型约10,000个。SARS-CoV-2、OP和MRSA/MSSA的eDMR数量最多。eDMR在增强子标记H3K27ac和H3K4me1以及启动子标记H3K4me3处富集，尤其在COVID-19单核细胞和naive T细胞中。相反，gDMR（275,283个，其中214,933个cis，60,350个trans）主要富集在基因体标记H3K36me3峰，尤其在记忆态淋巴细胞（B、CD4和CD8 T细胞）中。eDMR和gDMR在染色质环锚点的富集也呈现类似差异：gDMR更多富集于记忆态淋巴细胞的环锚点，而eDMR更多与naive淋巴细胞相关。

图 3　Fig. 3。图3展示eDMR的鉴定和特征。a-b部分显示整合甲基化信息后细胞类型的UMAP，B细胞和NK细胞根据全局甲基化水平分为naive和记忆/活性状态。c部分柱状图显示各暴露和细胞类型中低甲基化和高甲基化eDMR的数量，SARS-CoV-2、OP和MRSA/MSSA的eDMR最多。d-g部分显示遗传祖先相关的eDMR差异，非洲遗传祖先个体在MRSA/MSSA和SARS-CoV-2暴露中甲基化效应更强。h部分热图显示eDMR在组蛋白修饰峰的富集，COVID-19和HIV-1的eDMR在活性组蛋白标记处富集。i部分展示暴露特异性TF基序富集，如COVID-19单核细胞中PRDM1基序、MRSA/MSSA单核细胞中CEBP家族基序。

亮点 3｜HIV-1诱导甲基化与染色质可及性协同变化

整合单核甲基化与snATAC-seq数据，发现两种模态在全基因组范围内显著相关，单核细胞中相关性最高。在HIV-1感染后，CD8记忆T细胞中DGKH基因内含子区域出现甲基化丢失和染色质可及性增加。eDMR与差异可及区域的重叠在CD8 naive T细胞的pre阶段低甲基化eDMR中最高（25.6%）。其他暴露中重叠比例约为1-6%，可能由于缺乏内部对照。

图 4　Fig. 4。图4展示甲基化与染色质可及性的整合分析。a-b部分显示整合后UMAP，细胞类型标签从甲基化数据转移到ATAC数据。c部分基因组浏览器视图显示HIV-1感染后CD8记忆T细胞中DGKH基因内含子区域甲基化丢失和染色质可及性增加。d部分显示eDMR与差异可及区域的重叠比例，CD8 naive T细胞中pre阶段低甲基化eDMR重叠最高（25.6%）。

亮点 4｜meQTL与GWAS信号细胞类型特异性共定位

通过coloc分析，发现许多GWAS SNP与meQTL在特定免疫细胞类型中共定位，尤其在CD8 naive T细胞、CD4记忆和naive T细胞中富集。例如，湿疹相关SNP rs10791824在多个细胞类型中与meQTL和eQTL共定位，SMR分析显示该SNP相关DMR与EFEMP2基因表达显著相关。大多数GWAS SNP仅在一个细胞类型中与meQTL共定位，表明遗传变异对甲基化的调控具有高度细胞类型特异性。

图 5　Fig. 5。图5展示gDMR的特征及其与eDMR的比较。a部分柱状图显示各细胞类型中cis和trans gDMR的数量，CD8记忆T细胞gDMR最多。b部分点图显示gDMR在组蛋白修饰峰的富集，gDMR主要富集在H3K36me3（基因体标记），尤其在记忆态淋巴细胞。c部分点图显示gDMR在染色质环锚点的富集，gDMR更多富集于记忆态淋巴细胞的环锚点。d部分功能富集分析显示eDMR和gDMR相关基因均富集管家和免疫功能，但免疫功能在eDMR中更显著。

生信可带走

这一块是给做分析的人用的，不是科普点缀。

• 方法栈： snMethyl-seq、snATAC-seq、FACS、meQTL、GWAS colocalization
• 公开数据： 原文未给出公开组学登录号
• 代码： 原文未给出公开 GitHub/GitLab 仓库
• 谁该点开原文： 研究免疫细胞表观遗传调控、meQTL或环境暴露对表观基因组影响的科研人员。

带走一句

做表观遗传与疾病关联分析时，应区分遗传和环境驱动的DMR，并关注其在不同染色质区域的富集差异，以更精准定位功能性调控元件。