地錢中TCP家族轉錄因子活性與染色質三維構象變化相關

2020-11-23 科學網
地錢中TCP家族轉錄因子活性與染色質三維構象變化相關

 

基因組學的研究不應止步於從基因組序列或表觀遺傳修飾中獲得信息，深入挖掘三維染色質摺疊對於了解基因組功能同樣至關重要。近十年來，高通量測序技術的進步和高解析度成像技術的發展使得基因組複雜的三維結構組織形式日益清晰的呈現在人們眼前。其中，利用Hi-C（high-throughput chromosome conformation capture）技術發現的拓撲結構域（Topologically Associated Domains，TADs）被視作染色質三維摺疊的基本摺疊單元。

北京時間2020年9月7日晚23時，Nature Plants發表了德國圖賓根大學劉昶團隊的論文，題為「Marchantia TCP transcription factor activity correlates with three-dimensional chromatin structure」，詳細闡述了地錢中TCP家族轉錄因子活性與染色質三維構象變化的相關性。

動物TADs的研究現已相對透徹。動物的TADs內部為低活性的染色質區域，其邊界往往被CTCF等絕緣蛋白錨定，TADs參與了包括DNA複製和基因表達在內的多個生物學過程。劉昶課題組前期研究首次在水稻基因組中發現大量TADs，並且報導水稻中bZIP及TCP（TEOSINTE BRANCHED 1, CYCLOIDEA, AND PCF1）轉錄因子家族識別的核心序列在TADs邊界處高度富集（Nature plants : doi:10.1038/s41477-017-0005-9，doi:10.1038/s41477-018-0199-5）。現在，許多農作物的基因組中也均已發現了TADs，但課題組對植物中TADs的形成及其生物學功能的了解還極為有限。

2020年2月劉昶課題組與奧地利科學院格雷戈·門德爾研究所Frédéric Berger課題組共同完成了地錢基因組拼接（Currentbiology: doi.org/ 10.1016/j.cub.2019.12.015）。以此為基礎，他們解析注釋了地錢常染色體TADs的特點。課題組通過構建地錢的Hi-C圖譜，共發現並注釋了4013個TADs，這些TADs在地錢的每條染色體上都有分布，覆蓋了約40％的基因組。與動物的TADs類似，地錢TADs彼此之間也並不直接相鄰。其的邊界往往富含轉錄起始和/或終止位點。

劉昶課題組發現TADs內部主要由轉錄不活躍的異染色質區域和/或基因間的非編碼區域組成。通過對單個TAD的DNA甲基化水平和TADs中的組蛋白修飾的分布的調查，他們發現地錢TADs上演出「多聲部和諧」的特點：單個TAD之間彼此不同，但是均具有明顯的表觀遺傳特徵。通過對地錢的全基因組進行搜索和鑑定，課題組發現其含有兩個TCP家族基因TCP1和TCP2。兩個TCP基因分屬於不同的進化枝。其中TCP1識別的核心序列在TADs邊界區域顯著富集。

ChIP-seq結果顯示，常染色體上約11600個區域（覆蓋約5%基因組，約11.8 Mb）為TCP1富集區域（「峰」），表明TCP1與地錢染色質有廣泛的相互作用。所有發現並注釋的TADs中：在1164個（29％）TADs的一側（1 kb以內）檢測到TCP1峰；而499（12％）個TADs的兩側都與TCP1峰相關聯。

此外，劉昶課題組確定了一種新型TADs——TCP1-rich TADs，該TADs內染色質處於鬆散裸露狀態，且大約22.6％的MpTCP1結合區域位於TCP1-rich TADs內。Immunostaining-FISH（Immunostaining and fluorescence in situ hybridization）結果也表明，TCP1-rich TADs與TCP1蛋白呈點狀共定位於細胞核內。

TCP1-rich TADs缺失甲基化激活標記（如H3K4me1, H3K4me3和H3K36me3），而且MpTCP1的轉錄調控表現出「因地制宜」的特點，位於TCP1-rich TADs中的基因表達水平相對較低。這些結果均說明TCP1-rich TADs內的抑制表達環境與TCP1蛋白相關。

隨後課題組利用CRISPR/Cas9構建了TCP1缺失突變體。tcp1表現出生長速率減緩，葉捲曲的特點，而回補系則可以完全回補這些生長缺陷。意外的是，與Tak-1相比tcp1的Hi-C圖譜中TADs並無顯著變化。說明TCP1的缺失並不會導致TADs邊緣消失。雖然，在tcp1突變體中，邊界富集MpTCP1的TADs及TCP1-rich TADs的染色質組織模式均未發生顯著變化。但是，tcp1突變體中，TCP1-rich TADs中的基因與「外圍基因」的表達倍數差異，相較於野生型中兩類基因的表達變化更大。

研究結果表明植物TADs除了作為染色質三維摺疊的摺疊單元，還可作為調節基因表達的 「核內微區室」，為處於其內部的基因提供穩定的微環境。（來源：科學網）

相關論文信息：DOI：10.1038/s41477-020-00766-0

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