中药材是我国医药学者在传统药物研究领域的珍贵结晶，也是目前新药研发的宝贵资源。 随着“组学”技术的快速发展，基于基因组学研究成果，中药表观基因组学也在不断取得显著进展。
DNA甲基化、非编码RNA调控、组蛋白共价修饰、染色质重塑等表观遗传修饰研究，可检测到生物体响应环境因子而形成的可观察的表型改变，而中药材道地性的形成与环境因子对其表型的影响密切相关。此外，中药材特色表现的形成也有表观基因组的调控参与。因此，利用比较表观基因学的研究方法针对中药材，例如湖北省道地“十大楚药”和“五大特色药材”等，探讨其多样性形成机制和特征调控机制的研究具有重要科学意义。下面就两篇精选文章，来浅看一下中药表观基因组的研究思路。
物种3D进化
——人参属物种多样性形成机制研究
题目：Reshuffling of the ancestral core-eudicot genome shaped chromatin topology and epigenetic modification in Panax
期刊：Nature Communications
发表时间：2022年
研究思路：
研究材料：屏边三七（P. stipuleanatus，2n=2x=24），人参、竹节参和西洋参（P. ginseng、P. japonicus和P. quinquefolius ，2n=4x=24)
研究方法：PacBio+Illumina测序，10× Gemcode测序，Nanopore测序、Hi-C， RNA-seq
该研究根据不同的组装策略，de novo组装得到一种二倍体和三种四倍体人参属物种的染色体水平基因组，并进行深入的比较基因组和表观基因组分析。
首先，在基因组分析中，通过共线性分析，结合现存核心真双子叶植物物种的共同祖先 (γ) 和谱系特异性（即Pg-α和Pg-β）多倍化/（重新）二倍化历史，研究确定了核心真双子叶植物古老染色体复制和重排模式的差异，发现祖先核心真双子叶植物基因组经历了三轮全基因组复制（γ、Pg-β 和 Pg-α），但所有这些重复的祖先核心真双子叶植物染色体 (Eu1-Eu7) 仍然保留在现存的人参物种中，增加了现存物种在DNA线性水平的基因组可塑性。
图1 核心真双子叶植物古老染色体在人参属物种中的复制与重排模式
然后，基于得到的古老基因组框架，进一步利用Hi-C数据，检查祖先核心真双子叶植物基因组的重排是否导致现存人参基因组的染色质拓扑结构，发现复制祖先核心双子叶植物染色体 (Eu1-Eu7) 的A/B compartment和TAD样结构在现存的人参中被广泛重塑，增加了染色体在空间拓扑结构水平的多样性，不过现存的人参基因组中还是在很大程度上保留了同一祖先染色体内的染色质相互作用。
图2 复制古老染色体的染色质拓扑结构结构重塑模式
在表观基因组分析中，主要是比较基因表达和胞嘧啶甲基化。研究发现，有偏向的遗传分离，连同不同的表观遗传调控，可能在多倍化和（重新）二倍化过程中重塑复制的祖先核心真双子叶染色体。祖先核心真双子叶植物基因组中，尽管重排导致基因组结构多样性和表观遗传调控分歧，但对于七个祖先染色体的基因组区域，它们可能对现存人参物种的组织发育具有相似的功能效果。
图3 复制古老基因在现存物种中的基因表达与甲基化修饰
最后，以植物中次生代谢物来说明多倍化对表型的影响。研究发现，CYP基因的优先保留和调节差异，促进了现存人参物种中次生代谢物的定性多样化。CYP716亚家族中的新功能和基因亚功能化，可能导致人参皂苷在结构和功能上的巨大差异。因此，不同的进化事件，在CYP的生化多样性及相应人参物种的生态适应中，发挥了重要作用。
图4 人参属CYP716家族功能与表达进化模式及其对人参皂苷合成的影响
Hi-C+ChIP-seq+RNA-seq组合
——毒液形成的表观调控机制研究
题目：Hierarchical chromatin features reveal the toxin production in Bungarus multicinctus
期刊：Chinese Medicine
发表时间：2021年
研究思路：
研究材料：金钱白花蛇（Bungarus multicinctus）毒腺和肌肉
研究方法：Hi-C、ChIP-seq和RNA-seq
中国使用蛇的历史由来已久，可以追溯到春秋时期和战国时期。明代李时珍所著的《本草纲目》中也包含了大量有关蛇药用的知识。蛇类主要用于医药、食品和制革，其中用于医药的蛇类多达70种。幼年金钱白花蛇的干尸对治疗梅毒和苔藓疥疮有显著疗效。金钱白花蛇属于世界上最毒的陆地蛇种之一，其毒腺系统的主要成分是蛋白质、多肽、酶和其他小分子。一些蛋白质在产生毒性作用的同时，还可以发挥多种药理作用。已有研究证明蛇毒药物可以治疗人类疾病。而毒液补充过程中的染色质结构和转录因子活性还有待探究。
该研究利用Hi-C检查染色体之间的相互作用，并通过ChIP-seq检验表观遗传修饰与染色质结构之间的相关性。RNA-seq用于验证染色质结构和基因表达水平的变化对毒液产生和调节的影响。
结果发现，和对照组毒腺相比，释放毒液3天后的毒腺中，compartment转换更多的区域内，上调的基因反映了毒素活性的功能。富含组蛋白修饰（活性标记H3ac和抑制标记H3K27me3）的TAD边界与基因的不同分布和表达水平相关。同一染色质环中的毒素编码基因高度表达，这意味着毒液基因编码过程中表观遗传调控的重要性。在一定大小的染色质范围内，表观遗传标记（H3ac和H3K27me3）通过控制转录起始复合物的募集/抑制来影响转录调控。该研究表明，染色质结构和表观遗传修饰可能在金钱白花蛇的毒液调控机制中发挥重要作用。
图5 毒液编码基因PLA2基因家族的表达和其他染色体特征
小 结
从上面的研究可以看出，在中药研究中，基于高质量的基因组，表观基因组可以解析物种进化过程的多样性形成机制。同时，在染色质三维结构特征的基础上，表观基因组还可以研究中药特色表型的调控机制。而在推动中医药振兴发展的愿景下，道地药材和特色药材的表观基因组研究也将愈发重要。
Hi-C互作数据对表观基因组研究有着重要意义。菲沙基因拥有丰富的中草药Hi-C经验，无论是灌木、草木，还是其他植物类型，大部分都能得到高质量的数据效果，有效数据率可高达80%以上。
图6 部分中草药Hi-C数据
在湖北“十大楚药”发布的契机下，菲沙基因期待和您一起乘势而上，共同深入推进中医药的组学研究建设，助力中药材产业发展。
参考文献：
1.Wang Z H, Wang X F, Lu T, et al. Reshuffling of the ancestral core-eudicot genome shaped chromatin topology and epigenetic modification in Panax[J]. Nature Communications, 2022, 13(1): 1-12.
2.Liao X, Guo S, Yin X, et al. Hierarchical chromatin features reveal the toxin production in Bungarus multicinctus[J]. Chinese medicine, 2021, 16(1): 1-14.
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