∷ 

Nature Communications|何航团队和邓兴旺团队合作首次报道核小体分辨率的植物染色质高级结构并解析其分子机理

2024-01-03


2024年1月2日，北京大学现代农业研究院邓兴旺院士和何航研究员团队在Nature Communications在线发表题为“Mapping nucleosome-resolution chromatin organization and enhancer-promoter loops in plants using Micro-C-XL”的研究论文，改良并利用核小体分辨率的染色质构象捕获技术Micro-C-XL，首次在植物中报道了超高分辨率下的染色质互作图谱，揭示了高精度的染色质结构域和染色质环等，并解析了RNA聚合酶Ⅱ、Ⅳ和Ⅴ调控染色质结构的分子机理。


111.jpg

染色质高级结构调控真核细胞基因表达、调节DNA损伤修复并维持基因组稳定性。植物染色质高级结构的研究主要关注核小体尺度以上的部分，通过Hi-C技术等已经对染色体水平、Mb和Kb分辨率的结构有了一定的了解，主要包含了染色质疆域、染色质区室、拓扑结构相关结构域(topologically associating domain, TAD)以及精细水平的染色质互作环。但是目前受限于Hi-C技术分辨率的限制，植物染色质高级结构的研究难以突破1kb分辨率的屏障，对植物是否存在TAD或者类似的结构域存在争议，严重限制了与基因表达调控密切相关的染色质环和增强子等远距离顺式作用元件的研究(Sun et al., 2020 & Sun et al., 2023)。同时，与动物基因组明显不同的是，植物基因组中编码蛋白质的基因长度较短，亟须更高分辨率的染色质构象捕获技术，系统研究基因水平的染色质高级结构。

本研究首次在植物中改进并应用Micro-C-XL：一种基于高通量染色体构象捕获（Hi-C）的技术、使用甲醛和EGS的组合形式进行双交联，并使用MNase核酸酶进行切割，成功解析了单个核小体分辨率的染色质高级结构互作图谱，并成功应用在拟南芥、水稻和大豆等植物中。

222.png

图1 Micro-C-XL建库、测序和分析全流程示意图

基于核小体分辨率的染色质互作图谱，在拟南芥中鉴定到了>14000个染色质结构域边界，这些边界主要与染色质可及性、表观修饰和转录因子密切相关。其中，RNA Pol II介导的转录延伸控制基因主体水平的染色质结构域的形成。更重要的是，该超高分辨率图谱鉴定到了大量增强子/超级增强子-启动子之间的染色质互作环，为植物中顺式作用元件与基因互作模式及基因转录调控研究提供新的研究角度。通过整合短距离染色质环与大规模转录因子和染色质蛋白因子的ChIP-Seq数据，鉴定到MORC6/7、Pol V和SYD等蛋白可能参与直接控制染色质环的形成。

333.png

图2 核小体分辨染色质高级结构的Micro-C-XL图谱对比传统Hi-C图谱

基于首次多个植物核小体分辨率图谱，该研究将植物染色质高级结构从1-2 kb分辨率推进到200 bp（即核小体）分辨率水平，并直接鉴定到了特异蛋白参与的染色质互作环，为顺式作用元件基因编辑提供了可能性，并为植物三维基因组学研究提供了崭新的研究方向。

444.png

图3 Micro-C-XL揭示特异蛋白介导的染色质环

北京大学现代农业研究院何航研究员和邓兴旺院士为本文的共同通讯作者；北京大学现代农业研究院孙林华博士、周敬如和徐晓为论文共同第一作者，北京大学博士研究生刘艺和马妮、北京大学现代农业研究院科研助理刘禹彤、菲沙基因聂文超博士和邹玲参与本项研究。研究得到了国家自然科学基金重点项目、北京大学现代农业研究院院长基金、山东省重大专项、山东省重点研发计划和山东省自然科学基金的支持。生物信息学分析得到了北京大学现代农业研究院的高性能计算服务器的支持。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-44347-z

参考文献：

1. Sun, L., Jing, Y., Liu, X., Li, Q., Xue, Z., Cheng, Z., Wang, D., He, H., and Qian, W. (2020). Heat stress-induced transposon activation correlates with 3D chromatin organization rearrangement in Arabidopsis. Nat. Commun. 11, 1886. 10.1038/s41467-020-15809-5.

2. Sun, L., Cao, Y., Li, Z., Liu, Y., Yin, X., Deng, X.W., He, H., and Qian, W. (2023). Conserved H3K27me3-associated chromatin looping mediates physical interactions of gene clusters in plants. J. Integr. Plant Biol. 65, 1966–1982. 10.1111/jipb.13502.