最新MP發文綜述"植物基因組三維結構研究的現狀與展望"

2020-10-16 BioArt植物

Mol Plant | 華中農業大學李興旺/李國亮發表"植物基因組三維結構研究的現狀與展望"綜述文章


責編 | 奕梵


近日，華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室李興旺教授和李國亮教授課題組在Molecular Plant在線發表了題為Unraveling the 3D Genome Architecture in Plants: Present and Future 的綜述文章。該文概述了植物基因組的三維組織結構特徵，植物基因組在應對環境變化時三維結構的改變以及不同二倍體和四倍體雜種中等位基因三維結構的差異，介紹了染色質相關RNA參與的DNA-RNA交互作為基因組三維結構的新的研究層面在植物基因組三維結構中的重要作用，探討了「液-液相分離」在基因組三維結構的形成中的潛在功能意義，總結了目前還未在植物中應用的最新的「不依賴於接近連接 (proximity ligation-free)」的DNA-DNA交互捕獲技術以及DNA-RNA交互捕獲技術，最後對植物三維基因組學的研究方向做了展望。


真核生物每條染色體在細胞核中通常各自佔據特定的空間，稱為染色體疆域(chromosome territory, CT)。根據染色質的活性和組蛋白的修飾特徵等，每條染色體可以分成活躍的染色質區室(A compartment)和抑制性染色質區室(B compartment)。更高解析度的三維基因組圖譜顯示，這些A/B區室可以進一步分為亞區室(subcompartment)，包括活躍染色質組成的亞區室、多梳蛋白相關的抑制性的亞區室，和H3K9me2與DNA甲基化標記的異染色質亞區室等。染色質區室包含一些染色質交互結構域(chromatin interacting domain)。在很多動物細胞中，區室內的染色質通常形成很多彼此相對絕緣、內部有很強交互的自交互結構域(self-interacting domain)，稱為拓撲相關結構域(topologically associating domain, TAD)。動物染色質的TAD結構是基因轉錄調控的重要結構單元，它的形成通常是由CTCF/cohesin複合物介導的，TAD的邊界通常是轉錄因子CTCF和cohesin蛋白複合物的結合位點。但是植物中並沒有發現CTCF蛋白，很多植物卻存在TAD類似結構(TAD-like domain)。雖然已經在一些植物的TAD-like domain的邊界鑑定到一些轉錄因子的motif序列，但是究竟是什麼蛋白介導植物TAD類結構的形成仍不清楚，因此，鑑定CTCF-like絕緣子蛋白，探索植物基因轉錄調控的染色質三維結構基礎是一個很重要的研究方向。


染色質環(chromatin loop)是基因轉錄調控的基本單元，是指線性距離較遠的兩個基因組元件（例如增強子，沉默子，啟動子等）在蛋白質和RNA等的介導下形成空間上相互靠近的染色質結構。以上所述的不同層級的染色質結構，在很多物種中是保守的，可以在大部分真核生物中鑑定到。但是對於一個物種的不同組織、不同發育時期或不同外界條件下，染色質的三維結構存在或強或弱的動態變化，預示著其對基因的時空差異表達具有潛在的調控作用。


Figure 1. Hierarchical chromatin organization at multiple-length scales in plants.


過去的三維基因組研究，很多是從DNA-DNA交互(DNA-DNA interactions)的層面來研究染色質的三維結構。實際上，RNA作為細胞核的重要組成成分，越來越的研究表明其在染色質結構的形成中扮演重要的角色。目前，以動物細胞作為研究對象，已經開發了很多全基因組水平檢測DNA-RNA交互的技術(例如MARGI，GRID-seq，ChAR-seq等)，這些研究揭示了染色質相關RNA的一些作用模式，表明其對染色質局部構象具有調控作用。雖然目前在植物研究中也有一些關於RNA影響染色質局部結構的報導，但是這些研究都是針對特定位點開展。未來的研究需要在植物中建立全基因組水平的DNA-RNA交互捕獲技術，大規模鑑定染色質相關的RNA，並研究這些RNA對基因組三維結構的影響以及在植物生長發育過程中發揮的作用。


液-液相分離(liquid-liquid phase separation, LLPS)是指在過飽和溶液中會形成兩種不同濃度的可以穩定共存的液相的現象。在細胞中，某些蛋白質和核酸等生物大分子可以發生相互作用凝集在一起，通過LLPS的機制形成無膜的液滴甚至是無膜細胞器。最新的研究發現，LLPS可以驅動一些染色質區室化的形成，表明LLPS在基因組三維結構的形成中可能發揮重要作用。在植物中，已經有很多關於LLPS相關的無膜凝聚體(condensate)的報導，很多無膜凝聚體與植物的生長發育調控以及基因組結構相關。雖然LLPS究竟如何將基因組三維結構、基因轉錄調控、植物生長發育等生物學過程聯繫起來還不清楚，這將是一個非常有意義的研究方向。


目前植物三維基因組研究的結果很多都是基於「proximity-ligation」的原理開發的技術獲得的。因為這些技術是基於DNA末端配對連接的原理，因此只能檢測到簡單的DNA-DNA交互，而對於複雜的、距離很遠的DNA-DNA交互以及DNA-RNA交互，則需要開發新的不依賴接近連接的(ligation-free)技術和DNA-RNA交互捕獲技術，或者可以同時捕獲多種交互的multi-way的方法。此外，需要開發單細胞水平三維基因組研究技術以及多組學(multimodal omics)技術，從單細胞水平研究基因組三維結構對基因轉錄的調控作用。


華中農業大學博士生歐陽維枝和熊丹博士為該論文的共同第一作者，華中農業大學李興旺教授和李國亮教授為該論文的共同通訊作者。相關工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃和作物遺傳改良國家重點實驗室開放課題的資助。


論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.molp.2020.10.002

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