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李兴旺教授和李国亮教授课题组发表植物三维基因组研究综述文章
发布时间:2020-10-15

10月13日,我校作物遗传改良国家重点实验室李兴旺教授和李国亮教授课题组在植物学期刊Molecular Plant在线发表了题为“Unraveling the 3D Genome Architecture in Plants: Present and Future”的综述文章。

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该文概述了植物基因组的三维组织结构特征,植物基因组在应对环境变化时三维结构的改变,以及不同二倍体和四倍体杂种中等位基因三维结构的差异,介绍了染色质相关RNA参与的DNA-RNA交互作为基因组三维结构的新的研究层面在植物基因组三维结构中的重要作用,探讨了“液-液相分离”在基因组三维结构的形成中的潜在功能意义,总结了目前还未在植物中应用的最新的“不依赖于接近连接(proximity ligation-free)”的DNA-DNA交互捕获技术以及DNA-RNA交互捕获技术,最后对植物三维基因组学的研究方向做了展望。

真核生物每条染色体在细胞核中通常各自占据特定的空间,称为染色体疆域(chromosome territory, CT)。根据染色质的活性和组蛋白的修饰特征等,每条染色体可以分成活跃的染色质区室(A compartment)和抑制性染色质区室(B compartment)。更高分辨率的三维基因组图谱显示,这些A/B区室可以进一步分为亚区室(subcompartment),包括活跃染色质组成的亚区室、多梳蛋白相关的抑制性的亚区室,和H3K9me2与DNA甲基化标记的异染色质亚区室等。染色质区室包含一些染色质交互结构域(chromatin interacting domain)。在很多动物细胞中,区室内的染色质通常形成很多彼此相对绝缘、内部有很强交互的自交互结构域(self-interacting domain),称为拓扑相关结构域(topologically associating domain, TAD)。动物染色质的TAD结构是基因转录调控的重要结构单元,它的形成通常是由CTCF/cohesin复合物介导的,TAD的边界通常是转录因子CTCF和cohesin蛋白复合物的结合位点。但是植物中并没有发现CTCF蛋白,很多植物却存在TAD类似结构(TAD-like domain)。虽然已经在一些植物的TAD-like domain的边界鉴定到一些转录因子的motif序列,但是究竟是什么蛋白介导植物TAD类结构的形成仍不清楚,因此,鉴定CTCF-like绝缘子蛋白,探索植物基因转录调控的染色质三维结构基础是一个很重要的研究方向。染色质环(chromatin loop)是基因转录调控的基本单元,是指线性距离较远的两个基因组元件(例如增强子,沉默子,启动子等)在蛋白质和RNA等的介导下形成空间上相互靠近的染色质结构。以上所述的不同层级的染色质结构,在很多物种中是保守的,可以在大部分真核生物中鉴定到。但是对于一个物种的不同组织、不同发育时期或不同外界条件下,染色质的三维结构存在或强或弱的动态变化,预示着其对基因的时空差异表达具有潜在的调控作用。

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Figure 1. Hierarchicalchromatin organization at multiple-length scales in plants.

过去的三维基因组研究,很多是从DNA-DNA交互(DNA-DNA interactions)的层面来研究染色质的三维结构。实际上,RNA作为细胞核的重要组成成分,越来越多的研究表明其在染色质结构的形成中扮演重要的角色。目前,以动物细胞作为研究对象,已经开发了很多全基因组水平检测DNA-RNA交互的技术(例如MARGI,GRID-seq,ChAR-seq等),这些研究揭示了染色质相关RNA的一些作用模式,表明其对染色质局部构象具有调控作用。虽然目前在植物研究中也有一些关于RNA影响染色质局部结构的报道,但是这些研究都是针对特定位点开展。未来的研究需要在植物中建立全基因组水平的DNA-RNA交互捕获技术,大规模鉴定染色质相关的RNA,并研究这些RNA对基因组三维结构的影响以及在植物生长发育过程中发挥的作用。

液-液相分离(liquid-liquid phase separation, LLPS)是指在过饱和溶液中会形成两种不同浓度的可以稳定共存的液相的现象。在细胞中,某些蛋白质和核酸等生物大分子可以发生相互作用凝集在一起,通过LLPS的机制形成无膜的液滴甚至是无膜细胞器。最新的研究发现,LLPS可以驱动一些染色质区室化的形成,表明LLPS在基因组三维结构的形成中可能发挥重要作用。在植物中,已经有很多关于LLPS相关的无膜凝聚体(condensate)的报道,很多无膜凝聚体与植物的生长发育调控以及基因组结构相关。虽然LLPS究竟如何将基因组三维结构、基因转录调控、植物生长发育等生物学过程联系起来还不清楚,这将是一个非常有意义的研究方向。

目前植物三维基因组研究的结果很多都是基于“proximity-ligation”的原理开发的技术获得的。因为这些技术是基于DNA末端配对连接的原理,因此只能检测到简单的DNA-DNA交互,而对于复杂的、距离很远的DNA-DNA交互以及DNA-RNA交互,则需要开发新的不依赖接近连接的(ligation-free)技术和DNA-RNA交互捕获技术,或者可以同时捕获多种交互的multi-way的方法。此外,需要开发单细胞水平三维基因组研究技术以及多组学(multimodal omics)技术,从单细胞水平研究基因组三维结构对基因转录的调控作用。

我校生科院博士生欧阳维枝和和信息学院毕业博士生熊丹博士为该论文的共同第一作者,生科院李兴旺教授和信息学院李国亮教授为该论文的共同通讯作者。相关工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划和作物遗传改良国家重点实验室开放课题的资助。

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