玉米雌、雄穗中開放染色質(zhì)區(qū)域和表觀基因組特征的鑒定
遠(yuǎn)端開放染色質(zhì)區(qū)域的動態(tài)活性及轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合有助于基因的組織差異表達(dá)
近日，國際學(xué)術(shù)期刊Genome Biology在線報(bào)道了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)楊芳教授和李興旺教授團(tuán)隊(duì)合作完成的題為“3D genome architecture coordinates trans and cis regulation of differentially expressed ear and tassel genes in maize”的研究論文。文章描繪了玉米發(fā)育早期雌穗和雄穗原基的高分辨率全基因組三維互作圖譜、開放染色質(zhì)圖譜、組蛋白修飾圖譜、DNA甲基化圖譜和轉(zhuǎn)錄組圖譜，并揭示了順式和反式因子及其在三維基因組層面對玉米雌穗和雄穗間基因差異表達(dá)的調(diào)控，為表觀遺傳在玉米雌穗和雄穗身份性別的分化差異調(diào)控上提供了一定的理論基礎(chǔ)。
玉米作為一種重要的糧食作物，其雌穗和雄穗的正常發(fā)育對玉米生殖和產(chǎn)量至關(guān)重要。雌穗和雄穗有著極為相似的起始發(fā)育進(jìn)程，但后期會逐漸分化成不同的形態(tài)和性別。前人研究克隆了一些影響雌穗和雄穗發(fā)育形態(tài)及性別的關(guān)鍵基因，但基因組層面的順式和反式調(diào)控因子及三維染色質(zhì)互作對此分化進(jìn)程的調(diào)控尚不清楚。
研究者首先利用ATAC-seq技術(shù)在2-4mm的玉米雌穗和雄穗中分別鑒定到了56,055和52,633個開放染色質(zhì)區(qū)域（OCRs），結(jié)合3種組蛋白ChIP-seq，Bisulfite-seq和RNA-seq數(shù)據(jù)集詳細(xì)闡述了這些 OCRs附近的多種表觀特征及其對基因表達(dá)的影響，檢測到~50%的差異表達(dá)基因發(fā)生了至少一種表觀特征的改變，其中包含一些已知的穗發(fā)育和性別決定基因，如TB1，GT1，SK1，TS1等。利用已公開的玉米轉(zhuǎn)錄因子ChIP-seq數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子傾向于結(jié)合于OCRs，其結(jié)合強(qiáng)度與OCRs的開放程度顯著正相關(guān)。研究中鑒定到的雌、雄穗間差異表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子在差異表達(dá)基因附近OCRs上的結(jié)合，揭示了潛在的組織間差異調(diào)控途徑。
同時研究者還利用高效的in situ DLO Hi-C方法構(gòu)建了雌穗和雄穗的高分辨率全基因組三維互作圖譜，并鑒定到了大量的染色質(zhì)交互（loops），其中包含許多基因遠(yuǎn)端OCRs （dOCRs）和基因的交互，包括TB1，RAP2.7，BX1基因與其已知的遠(yuǎn)距離調(diào)控位點(diǎn)，同時也檢測到一些關(guān)鍵穗發(fā)育基因和dOCRs的交互，暗示了遠(yuǎn)端調(diào)控元件（distal CRE）與基因間的交互在穗發(fā)育過程中的重要調(diào)控作用。研究者還發(fā)現(xiàn)dOCRs的活性強(qiáng)弱與雌、雄穗間基因表達(dá)差異相關(guān)，基因表達(dá)受其互作dOCRs招募的轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同調(diào)控，并構(gòu)建了經(jīng)典馴化基因TB1在雌穗和雄穗中差異表達(dá)調(diào)控模型，為闡明TB1調(diào)控玉米株型的分子機(jī)制提供了更深入的理解。最后，作者發(fā)現(xiàn)大量已知雌穗和雄穗農(nóng)藝性狀相關(guān)的基因間區(qū)SNPs與基因形成染色質(zhì)交互，可能參與調(diào)控靶基因表達(dá)，為解析基因間區(qū)QTL位點(diǎn)的作用機(jī)制提供了依據(jù)。
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生孫永浩和碩士研究生董亮為文章共同第一作者，楊芳教授和李興旺教授為通訊作者，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)李國亮教授等參與了該工作。
原文鏈接：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-020-02063-7
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