Identification des DMC, DMR et DMG dans l'analyse de la méthylation de l'ADN

La méthylation de l'ADN, une modification chimique de l'ADN, peut influencer l'expression génétique sans altérer la séquence de l'ADN. Elle implique la liaison covalente d'un groupe méthyle à la position 5 du carbone de la cytosine du dinucléotide CpG génomique par l'action de la méthyltransférase de l'ADN. Ce processus a été trouvé pour induire des changements dans la structure de la chromatine, la conformation de l'ADN, la stabilité de l'ADN et les interactions ADN-protéine, régulant ainsi l'expression des gènes.

Pour l'exploration de données, l'analyse de la méthylation de l'ADN suit généralement trois étapes :

• Analyse des changements de méthylation à l'échelle du génomeCela inclut l'évaluation des changements de niveaux de méthylation moyens, des changements dans la distribution des niveaux de méthylation, la réalisation d'analyses de réduction de dimensionnalité, d'analyses de clusters, d'analyses de corrélation et d'autres techniques connexes.
• Analyse du niveau de différence de méthylation : Cette étape consiste à identifier des gènes différentiels spécifiques par l'identification de DMC/DMR/DMG (CpGs/régions/gènes différentiellement méthylés), à localiser les DMC/DMR sur les éléments génomiques, à réaliser une analyse de liaison des facteurs de transcription (TF) sur les DMC/DMR, à mettre en œuvre des stratégies d'analyse pour les données de méthylation en série temporelle et à effectuer une analyse fonctionnelle des DMG.
• Génomique de la méthylation & analyse d'association en transcriptomiqueDans cette phase, l'association globale des gènes Meta est évaluée, ainsi que l'association de correspondance entre les DMG (gènes différentiellement méthylés) et les DEG (gènes différentiellement exprimés), ainsi que la création d'associations en réseau.

Alors, comment réaliser l'analyse du niveau de méthylation différentielle pour identifier les DMC, DMR et DMG dans des gènes différentiels spécifiques ?

Analyse des sites/régions de méthylation différentielle - Analyse DMC/DMR

Identification DMC/DMR

Dans cette étape, l'objectif principal est d'identifier des sites spécifiques (DMCs) et des régions (DMRs) dans le génome où une méthylation différentielle se produit entre différents groupes expérimentaux. Cela peut impliquer de comparer les niveaux de méthylation entre des échantillons de malades et de contrôle, des échantillons traités et non traités, ou différents points temporels dans une expérience chronologique.

• Identification des DMC (Sites de Méthylation Différentielle) : Des tests statistiques sont appliqués aux sites CpG individuels pour déterminer s'il existe des différences significatives dans les niveaux de méthylation entre les groupes expérimentaux. Les sites CpG montrant des différences statistiquement significatives sont étiquetés comme DMC.
• Identification des DMR (Régions Différentiellement Méthylées) : Les DMC qui sont à proximité les uns des autres sont regroupés en DMR. Divers algorithmes et méthodes statistiques sont utilisés pour identifier les régions du génome avec des changements coordonnés de méthylation.

Analyse de la liaison des facteurs de transcription DMC/DMR (motif de liaison des TF)

L'objectif de cette étape est d'examiner si les DMCs/DMRs se chevauchent avec des sites de liaison connus des facteurs de transcription (TF), en particulier dans des régions régulatrices telles que les promoteurs et les amplificateurs.

Analyse des motifs de liaison des TF : Des outils et bases de données en bioinformatique sont utilisés pour prédire les motifs de liaison des TF aux DMC/DMR. Ces informations peuvent fournir des aperçus sur les facteurs régulateurs potentiels impliqués dans la méthylation différentielle.

(3) Stratégie d'analyse des données de méthylation temporelle (cours temporel)

Si le plan expérimental comprend plusieurs points temporels ou des données de suivi dans le temps, la stratégie d'analyse est adaptée pour comparer les changements de méthylation au fil du temps.

• Comparaison entre les points temporels voisins : Les différences dans les profils de méthylation entre les points temporels adjacents sont évaluées pour identifier les changements dynamiques.
• Dépistage direct des DMC et DMR liés au temps : des DMC/DMR spécifiques montrant des changements cohérents à travers les points temporels sont identifiés.
• Modèle linéaire / Modèle linéaire hybride : Les modèles statistiques, tels que la régression linéaire ou les modèles linéaires hybrides, sont utilisés pour tenir compte des facteurs de confusion (par exemple, le sexe) et évaluer les changements liés au temps dans la méthylation.
• Analyse des motifs de co-méthylation (dépistage de clusters spécifiques à un stade) : Des méthodes de clustering, telles que WGCNA, MEGENA et mfuzz, peuvent être appliquées pour identifier des groupes de sites ou de régions co-méthylés qui présentent des motifs similaires à travers différents stades ou points temporels.

Distribution DMC/DMR sur les éléments génétiques

Dans cette phase, nous menons une enquête approfondie sur la localisation génomique des CpGs différemment méthylés (DMCs) et des régions différemment méthylées (DMRs), en nous concentrant sur leur distribution au sein des éléments géniques distincts.

• Analyse des Éléments Transposables (ET) : Les éléments transposables représentent des entités génomiques capables de se mobiliser au sein du génome, avec le potentiel d'exercer des effets significatifs sur la stabilité du génome. L'examen de leurs motifs de méthylation offre des perspectives précieuses sur la régulation complexe du génome.
• Analyse des promoteurs : Élucider les altérations de la méthylation au sein des promoteurs géniques a des implications cruciales pour l'expression génique, car cela peut influencer la liaison de facteurs de transcription essentiels et de l'ARN polymérase.
• Analyse du corps des gènes : L'examen des motifs de méthylation au sein des corps des gènes est également pertinent pour l'expression génique et les processus d'épissage alternatif, influençant ainsi le résultat fonctionnel des gènes.

L'analyse DMC/DMR implique une approche multifacette englobant des méthodologies computationnelles, une analyse statistique rigoureuse et l'intégration d'informations génomiques diverses. Cette méthodologie complète nous permet de découvrir des motifs distincts d'altérations de la méthylation de l'ADN et d'élucider leurs conséquences fonctionnelles potentielles. En fin de compte, les résultats de cette enquête fournissent des informations inestimables sur les mécanismes épigénétiques complexes régissant l'expression génique, éclairant ainsi les bases moléculaires sous-jacentes de divers processus biologiques et conditions pathologiques.

Analyse fonctionnelle des gènes différentiellement méthylés (DMGs)

L'analyse fonctionnelle des gènes différentiellement méthylés (DMGs) est une étape cruciale pour comprendre les processus biologiques et les voies influencés par les changements de méthylation de l'ADN. Les DMGs sont des gènes qui possèdent au moins une région différentiellement méthylée (DMR) annotée à leur promoteur ou à leur corps de gène. Les DMR dans la région promotrice ont le potentiel d'influencer la transcription des gènes, tandis que les DMR dans la région du corps du gène montrent souvent une corrélation positive avec les niveaux d'expression génique. L'analyse de ces DMGs peut fournir des informations précieuses sur les fonctions régulatrices de la méthylation de l'ADN.

(1) Catégorisation des DMGs

• Hyper-DMG : Gènes montrant des niveaux accrus de méthylation de l'ADN dans les DMR par rapport au groupe témoin. Une méthylation accrue dans la région promotrice peut entraîner une inhibition transcriptionnelle.
• Hypo-DMG : Gènes présentant des niveaux de méthylation de l'ADN réduits dans les DMR par rapport au groupe témoin. Une méthylation réduite dans la région du corps du gène peut être associée à une augmentation de l'expression génique.

(2) Promoteur-DMG et Genebody-DMG

• Promoteur-DMG : Gènes avec des régions différentiellement méthylées dans leurs régions promotrices. Ces gènes peuvent subir une régulation transcriptionnelle altérée en raison de changements dans la méthylation du promoteur.
• Genebody-DMG : Gènes avec des régions méthylées de manière différentielle dans leurs régions de corps génique. Les changements de méthylation dans le corps génique peuvent influencer l'expression génique et l'épissage alternatif.

(3) Analyse d'enrichissement fonctionnel

L'analyse d'enrichissement fonctionnel est une approche d'investigation essentielle qui offre des aperçus précieux sur le paysage complexe des changements de méthylation de l'ADN et leurs ramifications dans divers contextes biologiques. Cette analyse implique l'examen de l'Ontologie des gènes (GO) pour discerner les processus biologiques, les fonctions moléculaires et les composants cellulaires enrichis liés aux gènes différentiellement méthylés (DMGs). De plus, l'enquête s'étend à l'analyse des voies KEGG, qui élucide l'enrichissement significatif des DMGs au sein de diverses voies biologiques, éclairant ainsi leur contexte fonctionnel.

De plus, l'exploration de l'analyse des voies Reactome révèle les voies moléculaires spécifiques et les cascades de signalisation dans lesquelles les DMGs sont impliqués. En intégrant l'analyse DisGeNET des maladies et l'ontologie des maladies, les chercheurs obtiennent des informations précieuses sur l'association des DMGs avec des maladies particulières et des termes liés aux maladies, fournissant des indices cruciaux concernant le rôle potentiel de la méthylation de l'ADN dans la pathogénie des maladies.

Sans aucun doute, l'analyse fonctionnelle approfondie des DMGs permet aux chercheurs de favoriser une compréhension globale de l'interaction complexe entre les changements de méthylation de l'ADN et divers processus biologiques. Par conséquent, cet effort facilite la formulation d'hypothèses concernant les rôles régulateurs de la méthylation de l'ADN et ses implications dans divers contextes physiologiques et pathologiques. En fin de compte, l'amalgame des données épigénétiques et de la génomique fonctionnelle contribue de manière significative à une compréhension approfondie de la régulation des gènes et de la complexité sous-jacente des processus cellulaires.

Détection des niveaux de méthylation différentielle

Le flux de travail de détection et d'analyse des niveaux de méthylation différentielle décrit ci-dessus implique plusieurs étapes clés, y compris la détection des DMR, l'annotation des DMR, l'analyse fonctionnelle des gènes méthylés différemment (DMGs) et la visualisation des DMR. Cette approche globale permet aux chercheurs d'identifier des régions présentant des changements significatifs de méthylation de l'ADN, de comprendre leurs implications fonctionnelles potentielles et de visualiser les résultats pour une meilleure interprétation.

Détection de régions de méthylation différentielle (DMR)

Les DMRs sont détectés à l'aide du logiciel metilene, qui utilise un algorithme de segmentation binaire combiné à des tests statistiques doubles (test MWU et test KS en 2D).

Les critères suivants sont utilisés pour définir les DMR :

• Profondeur de séquençage de chaque site CpG >= 5x.
• Méthylation différentielle des sites CpG >= 0,2 (indiquant un changement substantiel des niveaux de méthylation).
• Nombre de sites CpG différentiellement méthylés dans la région >= 5 (assurant une couverture suffisante).
• Distance entre les sites CpG différentiellement méthylés adjacents <= 300 pb.
• Valeur p du test MWU < 0,05 (indiquant une signification statistique).

Les sites CpG qui répondent à ces critères sont utilisés pour définir les régions méthylées de manière différentielle.

Annotation de la région de méthylation différentielle (DMR)

Les DMR identifiés sont annotés aux régions du corps des gènes et des promoteurs, respectivement. Cette étape aide à lier les DMR à des gènes spécifiques et à comprendre leurs implications réglementaires potentielles sur l'expression génique.

(3) Analyse fonctionnelle des gènes différemment méthylés (DMGs)

L'analyse d'enrichissement GO (Gene Ontology) et KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) est réalisée pour étudier les fonctions des DMGs. L'enrichissement des DMGs dans les termes GO et les voies KEGG est analysé à l'aide d'un test de distribution hypergéométrique. Cette analyse fournit des informations sur les processus biologiques et les voies influencés par la méthylation différentielle de l'ADN.

(4) Visualisation des régions différentialement méthylées (DMRs)

En raison du grand nombre de DMR, les 20 DMR les mieux classés avec une valeur Q (valeur p ajustée) sont sélectionnés pour la visualisation.

En suivant ce flux de travail, les chercheurs peuvent identifier et caractériser des régions différemment méthylées, obtenir des informations sur les conséquences fonctionnelles potentielles des changements de méthylation de l'ADN, et visualiser efficacement les résultats pour aider à l'interprétation des données et à la génération d'hypothèses.