遠端開放染色質區域的動態活性及轉錄因子結合有助於基因的組織差異表達
近日，國際學術期刊Genome Biology在線報導了華中農業大學楊芳教授和李興旺教授團隊合作完成的題為「3D genome architecture coordinates trans and cis regulation of differentially expressed ear and tassel genes in maize」的研究論文。文章描繪了玉米發育早期雌穗和雄穗原基的高解析度全基因組三維互作圖譜、開放染色質圖譜、組蛋白修飾圖譜、DNA甲基化圖譜和轉錄組圖譜，並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的調控，為表觀遺傳在玉米雌穗和雄穗身份性別的分化差異調控上提供了一定的理論基礎。
玉米作為一種重要的糧食作物，其雌穗和雄穗的正常發育對玉米生殖和產量至關重要。雌穗和雄穗有著極為相似的起始發育進程，但後期會逐漸分化成不同的形態和性別。前人研究克隆了一些影響雌穗和雄穗發育形態及性別的關鍵基因，但基因組層面的順式和反式調控因子及三維染色質互作對此分化進程的調控尚不清楚。
研究者首先利用ATAC-seq技術在2-4mm的玉米雌穗和雄穗中分別鑑定到了56,055和52,633個開放染色質區域（OCRs），結合3種組蛋白ChIP-seq，Bisulfite-seq和RNA-seq數據集詳細闡述了這些 OCRs附近的多種表觀特徵及其對基因表達的影響，檢測到~50%的差異表達基因發生了至少一種表觀特徵的改變，其中包含一些已知的穗發育和性別決定基因，如TB1，GT1，SK1，TS1等。利用已公開的玉米轉錄因子ChIP-seq數據分析發現轉錄因子傾向於結合於OCRs，其結合強度與OCRs的開放程度顯著正相關。研究中鑑定到的雌、雄穗間差異表達轉錄因子在差異表達基因附近OCRs上的結合，揭示了潛在的組織間差異調控途徑。
同時研究者還利用高效的in situ DLO Hi-C方法構建了雌穗和雄穗的高解析度全基因組三維互作圖譜，並鑑定到了大量的染色質交互（loops），其中包含許多基因遠端OCRs （dOCRs）和基因的交互，包括TB1，RAP2.7，BX1基因與其已知的遠距離調控位點，同時也檢測到一些關鍵穗發育基因和dOCRs的交互，暗示了遠端調控元件（distal CRE）與基因間的交互在穗發育過程中的重要調控作用。研究者還發現dOCRs的活性強弱與雌、雄穗間基因表達差異相關，基因表達受其互作dOCRs招募的轉錄因子協同調控，並構建了經典馴化基因TB1在雌穗和雄穗中差異表達調控模型，為闡明TB1調控玉米株型的分子機制提供了更深入的理解。最後，作者發現大量已知雌穗和雄穗農藝性狀相關的基因間區SNPs與基因形成染色質交互，可能參與調控靶基因表達，為解析基因間區QTL位點的作用機制提供了依據。
華中農業大學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，華中農業大學李國亮教授等參與了該工作。
原文連結：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-020-02063-7