遺伝子体内DNAメチル化と植物の重複遺伝子の進化の発散

遺伝子体DNAメチル化は遺伝子発現と関連していることが示されています。しかし、重複した遺伝子間の遺伝子体DNAメチル化の偏差がそれらの発散に影響を与える可能性があるかどうか、そしてどのようにどのように逸脱しているかは、ほとんど未踏のままです。ここでは、重複遺伝子の運命における遺伝子体DNAメチル化の潜在的な役割を解明することを目指しています。シロイヌナズナとイネ（Oryza sativassp。japonica）ゲノムからのパラログの遺伝子ペアを特定し、単一塩基分解能メチロームデータを再処理しました。パラログ遺伝子のメチル化は、エクソン数/遺伝子の長さ、発現レベル、突然変異率など、いくつかの遺伝子特性と非線形に相関することを示しています。さらに、パラログのメチル化レベルとパターンの発散が、実際にその配列と発現の相違と正の相関があることを実証しました。この結果は、パラログの発散に影響を与えることが知られている他の交絡因子を制御した後でさえも保持されていました。メチル化レベルの発散は、メチル化パターンの発散よりもパラログの発現の発現に関連する可能性があることが観察されました。最後に、パラログの遺伝子体メチル化の発散を引き起こす可能性のあるメカニズムを調査しました。エキソンのメチル化の発散は、イントリックメチル化の発散よりも発現の分岐とより密接に相関することがわかりました。さまざまな複製メカニズムによって生成されたパラログのゲノム環境（たとえば、転置可能な要素と反復シーケンスに隣接する）が、パラログのメチル化の発散に関連していることを示しています。全体的に、我々の結果は、遺伝子体のDNAメチル化の変化が、複製遺伝子の別の手段を提供して、異なる発現パターンを発達させ、植物ゲノムの異なる進化の運命を受ける可能性があることを示唆しています。

It has been shown that gene body DNA methylation is associated with gene expression. However, whether and how deviation of gene body DNA methylation between duplicate genes can influence their divergence remains largely unexplored. Here, we aim to elucidate the potential role of gene body DNA methylation in the fate of duplicate genes. We identified paralogous gene pairs from Arabidopsis and rice (Oryza sativa ssp. japonica) genomes and reprocessed their single-base resolution methylome data. We show that methylation in paralogous genes nonlinearly correlates with several gene properties including exon number/gene length, expression level and mutation rate. Further, we demonstrated that divergence of methylation level and pattern in paralogs indeed positively correlate with their sequence and expression divergences. This result held even after controlling for other confounding factors known to influence the divergence of paralogs. We observed that methylation level divergence might be more relevant to the expression divergence of paralogs than methylation pattern divergence. Finally, we explored the mechanisms that might give rise to the divergence of gene body methylation in paralogs. We found that exonic methylation divergence more closely correlates with expression divergence than intronic methylation divergence. We show that genomic environments (e.g., flanked by transposable elements and repetitive sequences) of paralogs generated by various duplication mechanisms are associated with the methylation divergence of paralogs. Overall, our results suggest that the changes in gene body DNA methylation could provide another avenue for duplicate genes to develop differential expression patterns and undergo different evolutionary fates in plant genomes.