生物物理所合作揭示轉座子在近著絲粒異染色質區調控機制

2020-12-05 中國生物技術網

異染色質是指基因組中用DAPI 染色區域較深，相對不開放的區域。這類區域被認為是基因組中的黑洞。之前研究認為異染色質的基因組通常處於沉默狀態。隨著轉錄組學測序技術的發展，大家發現異染色質並非一直保持沉默。那麼這些活躍的異染色質有什麼功能呢? 基因組學研究發現細胞間期異染色質的穩定可以保證基因組結構的穩定。分裂期的異染色質，尤其是位於著絲粒區域，以及近著絲粒區域的異染色質， 其穩定性可以幫助遺傳信息在細胞分裂中有效的高保真傳遞。在細胞分裂過程中，異染色質中的表觀marker(H3K9me3)會隨機分配到兩個子細胞中。隨機表觀修飾的丟失，會使得異染色質變得不穩定。那麼生命體是如果在體細胞中維持異染色質的穩定呢?

另一方面，重複序列是一類在基因組中存在的多個拷貝的序列，其在基因組，尤其是異染色質中佔據著相當大的比例。由於重複序列的多拷貝性質，測序分析中很難準確找到其定位。也由於這個特點，重複序列的相關研究一直被滯後。但是重複序列的功能在一些已知的通路中已經被報導。而且這些功能多伴隨著重複序列的轉錄。所以系統研究重複序列的轉錄情況以及這些轉錄產生的RNA的結合位點將為我們系統解析重複序列的功能打開一扇大門。

基於這一系列問題， 近日，加州大學聖地牙哥分校付向東教授和中國科學院生物物理研究所陳潤生院士、何順民研究員合作，在Genome Research上發表了長文文章"Active retrotransposons help maintain pericentromeric heterochromatin required for faithful cell division"的封面文章【1】。該工作發現了在果蠅S2細胞中，存在一類來自於特定重複序列的RNA，這些RNA顯著結合在著絲粒近端組成型異染色質。這種結合可以幫助維持異染色質的狀態，進而可以維繫細胞進行正確的有絲分裂。

在本研究中，郝亞靜等研究人員首先利用付向東組開發的全基因組RNA-染色質相互作用測序技術GRID-seq 【2-3】， 通過改進計算方法， 第一次系統的構建了果蠅S2細胞中重複序列來源RNA的全基因組結合圖譜。進一步的，郝亞靜等第一次發現，不同於其他RNA傾向於結合在開放活躍的染色質區域，一類重複序列來源的RNA顯著的富集在組成型異染色質區域。這類RNA隨後被命名為CHARRs(組成型異染色質相關RNA)。CHARRs不僅可以通過cis作用結合到鄰近位置，還可以發生trans遠距離互作。有趣的是，在異染色質被激活的區域，如果Local RNA結合多的區域，trans 結合的RNA就少，如果local 結合少的區域，trans結合的RNA就多（圖1）。

圖1：組成型異染色質維持的模式圖

該研究還發現CHARRs主要來自活躍的gypsy元件，符合endo-siRNAs特性:長度在~21nt左右，可以被Dcr-2加工成小RNA，並被AGO2結合。之前的報導包括本文發現敲降Dicer-2會引起異染色質丟失，細胞分裂期染色體排列和分離異常。但是，人們對這一關鍵表型到底是由siRNA通路還是Dicer-2在核內的其他功能導致的卻知之甚少。郝亞靜等首次報導了人工合成的CHARRs來源的endo-siRNA mimics可以恢復由於缺失Dcr-2造成的組成型異染色質修飾(H3K9me3)的缺失以及細胞分裂的異常表型。而且這種恢復作用具有序列特異性。這是第一次在高等物種中直接證明是由endo-siRNA來調控組成型異染色質的穩定。也是第一次認識到活躍轉座子在基因組結構以及遺傳信息穩定傳遞中的有利效應。同時這項研究工作也展示了付向東教授課題組開發的GRID-seq技術在系統研究RNA-染色質互作組/圖譜及其功能上的強大能力。

加州大學聖地牙哥分校付向東教授和中國科學院生物物理研究所陳潤生院士、何順民研究員為論文的共同通訊作者；生物物理所郝亞靜博士（現為加州大學聖地牙哥分校付向東研究組博士後）、王東鵬博士（現為美國國立衛生研究院國家癌症研究所博士後）為論文的共同第一作者。健康大數據研究中心張鵬副研究員、吳樹恆博士參與了此項研究。該項目受到國家自然科學基金委、國家重點研發計劃、美國國立衛生研究院基金等項目資助。

參考文獻：

【1】Hao, Y., Wang, D., Wu, S., Li, X., Shao, C., Zhang, P., Chen, J.Y., Lim, D.H., Fu, X.D., Chen, R., and He, S. (2020). Active retrotransposons help maintain pericentromeric heterochromatin required for faithful cell division. Genome Res.

DOI: https://doi.org/10.1101/gr.256131.119

【2】Li, X., Zhou, B., Chen, L., Gou, L.T., Li, H., and Fu, X.D. (2017). GRID-seq reveals the global RNA-chromatin interactome. Nat Biotechnol 35, 940-950.

DOI: https://doi.org/10.1038/nbt.3968

【3】Zhou, B., Li, X., Luo, D., Lim, D.H., Zhou, Y., and Fu, X.D. (2019). GRID-seq for comprehensive analysis of global RNA-chromatin interactions. Nat Protoc 14, 2036-2068.

DOI: https://doi.org/10.1038/s41596-019-0172-4

論文連結：

https://genome.cshlp.org/content/30/11/1570.full

相關焦點

  • 生物物理所等揭示轉座子在近著絲粒異染色質區調控機制
    異染色質是指基因組中用DAPI染色較深、相對不開放的區域。這類區域被認為是基因組中的「黑洞」。以往研究認為，異染色質的基因組通常處於沉默狀態。隨著轉錄組學測序技術的發展，研究發現異染色質並非一直保持沉默。基因組學研究發現，細胞間期異染色質的穩定可以保證基因組結構的穩定。
  • 研究揭示轉座子在近著絲粒異染色質區調控機制
    異染色質是指基因組中用DAPI染色較深、相對不開放的區域。這類區域被認為是基因組中的「黑洞」。以往研究認為，異染色質的基因組通常處於沉默狀態。隨著轉錄組學測序技術的發展，研究發現異染色質並非一直保持沉默。基因組學研究發現，細胞間期異染色質的穩定可以保證基因組結構的穩定。
  • Genome Res | 轉座子在近著絲粒異染色質區調控機制
    隨著轉錄組學測序技術的發展，大家發現異染色質並非一直保持沉默。那麼這些活躍的異染色質有什麼功能呢? 基因組學研究發現細胞間期異染色質的穩定可以保證基因組結構的穩定。分裂期的異染色質，尤其是位於著絲粒區域,以及近著絲粒區域的異染色質，其穩定性可以幫助遺傳信息在細胞分裂中有效的高保真傳遞。在細胞分裂過程中,異染色質中的表觀marker(H3K9me3)會隨機分配到兩個子細胞中.隨機表觀修飾的丟失，會使得異染色質變得不穩定。
  • 生物物理所揭示表觀遺傳因子CENP-A介導著絲粒功能的機制
    2011年，中國科學院生物物理研究所的許瑞明課題組與李國紅課題組合作解析了人源CENP-A與其裝配因子HJURP複合物的晶體結構，揭示了CENP-A分子上的Ser68殘基為HJURP識別的關鍵位點（Hu et al., Genes & Development, 2011）。
  • 研究發現PANDAS複合物在piRNA調控異染色質形成的分子機制
    轉座子又被稱為「跳躍基因」，類似於內源性病毒，能夠在宿主基因組中「複製和粘貼」自己的DNA，以達到其自我「繁殖」的目的。轉座子的「跳躍」可能會產生基因組不穩定性，並導致動物不孕不育。有多種調控機制沉默轉座元件並維持基因組完整性，例如組蛋白修飾和DNA的甲基化等。
  • 科學家揭示真核基因組轉座子寄生策略多樣性—新聞—科學網
    基因組所供圖 近日，《核酸研究》在線發表中國農業科學院深圳農業基因組研究所研究員張新巖課題組的最新研究成果。他們對基因組中常見的寄生性轉座子元件（又稱跳躍因子）進行比較基因組學分析，揭示了轉座子的兩種依賴宿主基因轉錄的基因組整合策略。這一發現為解析複雜的真核生物基因組提供了「基因組生態學」視角。
  • 科學家揭示RNAi與異染色質形成間的聯繫
    作用的一種特殊機制——一種作用機器能誘導RNAi過程，從而沉默發育基因以及反轉錄轉座子，這表明調控RNAi沉默的分化信號也能調控發育基因。  這種作用機制是一種保守性的機制，能通過小分子RNAs（siRNAs）指導同源RNA的降解，並促進重複DNA元件，如著絲粒重複序列上的異染色質組裝。但是我們對於RNAi功能以及內源性靶標的了解其實還不夠充分，因此還有待進一步探索。
  • 著絲粒裝配調控機制研究獲進展
    本報訊 日前，中科院生物物理所李國紅研究員領導的研究團隊在著絲粒裝配調控機制研究方面獲得重要進展，相關成果發表在《發育細胞》上。著絲粒是染色體上一個特殊的區域，如果著絲粒裝配出現問題,會使子代細胞中染色體出現異常,是導致胎兒發育異常和流產的主要原因。 著絲點蛋白Ａ（CENP-A）是一種組蛋白H3的變體，此前，對CENP-A裝配到著絲粒的動態調控機制研究，學界仍然知之甚少。 科研人員發現，CENP-A的第68位絲氨酸對於CENP-A正確裝配到著絲粒上發揮重要作用。
  • Cell Reports報導揭示非編碼RNA和轉座子在長壽中的作用機制
    3月21日，中國科學院-馬普學會計算生物學夥伴研究所研究員韓敬東在《細胞-報告》（Cell Reports）上在線發表了題為Impact of Dietary Interventions on Noncoding RNA Networks and mRNAs Encoding Chromatin-Related Factors 的研究論文，該研究在探索能量限制調控非編碼
  • 代謝分子醫學教育部重點實驗室/基礎醫學院文波課題組發現異染色質...
    細胞核內的染色質可分為常染色質（通常為活性區域）及異染色質（通常為非活性區域），二者分別聚合成被稱為A或B型區室（Compartment）的三維結構。在此框架下，染色質進一步形成拓撲結構域（Topologically associating domains, TADs）及染色質環（Chromatin loop）等更為精細的染色質高級結構，以調控基因組功能。
  • Nature Cell Biology | 俞洋/黃旲組合作深入闡明piRNA調控異染色...
    轉座子又被稱為「跳躍基因」，類似於內源性病毒，能夠在宿主基因組中「複製和粘貼」自己的DNA，以達到其自我「繁殖」的目的。轉座子的「跳躍」可能會產生基因組不穩定性，並導致動物不孕不育。有多種調控機制沉默轉座元件並維持基因組完整性，例如組蛋白修飾和DNA的甲基化等。
  • 基因組轉座子
    這類轉座子在跳躍的子過程中，依賴其中一類元件——LINE1，長散在元件所編碼的ORF1p和ORF2p。ORF1p行使RBP的功能，攜帶轉座子的RNA中間體進入細胞核，在ORF2p（含有一個EN，核酸內切酶和一個RT，逆轉錄酶）的幫助下，完成基因組的重組。Class II，也叫做DNA轉座子，這種類型的轉座子主要是通過「剪切-粘貼」的機制進行「跳躍」。
  • 植物組蛋白去甲基化酶的招募機制研究取得進展
    進一步研究發現，並非所有的CTCTGYTY基序都能夠被REF6識別，REF6更傾向於結合在開放的染色質區域，而不結合異染色質區域，然而這其中的分子機制尚不清楚。DNA甲基化作為一種重要的染色質修飾，廣泛分布於異染色質區、常染色質區的轉座子區和轉錄不活躍基因的啟動子區，參與異染色質結構維持、轉座子沉默和基因轉錄調控等生物學過程。
  • 生命科學學院宋豔研究組揭示轉錄因子通過相分離驅使神經元終末...
    然而，在生理條件下細胞分化過程中H3K9me3+異染色質凝縮、擴展的分子調控機理還尚不明晰。在終末分化的細胞中，異染色質如何調控特定基因的永久沉默更是未解之謎。該文揭示了果蠅發育過程中，一個轉錄因子通過液-液相分離「植入」神經前體細胞有絲分裂期染色體，通過促進H3K9me3+異染色質凝聚確保神經元終末分化的新現象和新機制。
  • Nature:轉座子源於性染色體演化
    來自同一團隊的兩項新研究展示了轉座子如何能夠促動性染色體的演化，以及這一效應如何影響劑量補償。果蠅含有3種在不同時間形成的不同X染色體。雄果蠅攜帶了每種X染色體的一個拷貝，而雌果蠅攜帶了兩個拷貝；因此，為了在兩性之間補償X染色體基因的表達，雄果蠅中每個單一X染色體中的基因轉錄都是雙倍的。
  • JBC:中科院朱冰團隊發現表觀遺傳系統選擇性保護常染色質區
    2016年8月30日/生物谷BIOON/--在細胞增殖期間，DNA經複製後將遺傳物質傳給子細胞。DNA複製錯誤，如果未經修復的話，能夠導致基因突變。對單個有機體而言，一些DNA突變可能導致疾病，甚至是致命性的疾病。可靠的DNA修復系統存在於細胞中以便確保高效地校正複製錯誤，因而保護著基因保真度。
  • 研究揭示組蛋白H2A泛素化修飾對核小體的調控機制
    真核細胞基因組DNA被組裝形成染色質存儲在細胞核中。核小體，作為染色質的基本結構單元，在基因複製與轉錄過程中高度動態調控。DNA/RNA聚合酶前的核小體結構要被打開，使得聚合酶能順利通過核小體，對核小體包裹的DNA進行複製轉錄；而聚合酶通過後的DNA要被重新組裝形成核小體，保護DNA免受損傷，並維持或繼承該區域表觀遺傳信息。
  • 生物物理所揭示光合作用卡爾文循環的催化及調控機制
    光反應階段中光信號經由一系列蛋白最終轉變為氧化還原信號，通過硫氧還蛋白（TRX）調控卡爾文循環及大量下遊反應。葉綠體磷酸核酮糖激酶（PRK）和甘油醛-3-磷酸脫氫酶（GAPDH）是卡爾文循環的關鍵酶，分別消耗光反應過程中產生的ATP和NADPH，並均受到TRX的氧化還原調控，處於還原態時為激活狀態，氧化態時為失活狀態。
  • ...科學家揭示表觀遺傳因子CENP-A周期性招募CENP-N蛋白介導著絲粒...
    2015年5月8日訊 /生物谷BIOON/ --2015年5月5日，中國科學院生物物理研究所科學家李國紅、許瑞明等人在著名雜誌Genes & Development上在線發表了題為「Structural transitions
  • 染色質結構形成及DNA複製叉穩定性維持的分子機制研究獲進展
    但是，經過100年的研究，產生組成性異染色質結構的根本機制還沒有被確定。DNA複製是核心生物事件，其發生在染色體上。當DNA複製叉沿著染色體DNA移動並複製、合成DNA時，它會碰到許多內源的DNA複製叉停頓點。這些停頓點的大部分應該是由DNA二級結構導致的。各種DNA重複序列往往能形成多類型的DNA二級結構。