水稻三维基因组结构对节律基因转录影响的研究取得新进展

来源：华中农业大学2022年1月12日12:38

近日，华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室李兴旺教授课题组的研究成果发表在《基因组生物学》上，题目为“水稻昼夜RNAP系留色相互作用与节律性基因表达相关”。绘制了水稻的日变化图。

近日，华中农业大学作物改良国家重点实验室李兴旺教授课题组的研究成果发表在《基因组生物学》上，题目为“昼夜RNAP-栓系时间相互作用与水稻节律性基因表达相关”。绘制了水稻昼夜动态变化的高分辨率三维基因组图谱，系统解释了昼夜动态三维基因组结构对节律基因转录调控的影响。

前期，课题组系统分析了水稻等模式植物不同组织的线性表观基因组和三维基因组结构，这些都是相对“静态”的核染色质组织形式。事实上，真核生物的三维基因组结构随着时间顺序(如昼夜节律、发育阶段等)而动态变化。)，影响基因表达的类型和强度。因此，有必要选择一个理想的系统来研究三维基因组结构及其功能的动态变化。地球自转引起的昼夜交替引起了光、温度等环境的周期性变化，高等生物进化出了内源性昼夜节律钟。生物钟以大约24小时的周期振荡，参与调节水稻中三分之一以上活跃表达的基因。它是生长发育、代谢和激素信号转导等生命活动中重要的内源性基因表达调控系统。因此，水稻昼夜节律钟生物学不仅本身是一个重要的研究领域，也是研究三维基因组结构动态变化和基因表达调控的理想模型。

RNA聚合酶II(RNAPII)是真核基因转录的核心亚单位和关键转录元件。本研究首先绘制了一天中不同时间点RNAPII的顺反群图谱，显示35%的RNAPII职业在一天中呈现节律性变化。然后结合节律转录组数据发现，RNAPII的信号水平与节律基因的表达水平呈正相关，RNAPII的募集过程比mRNA积累提前2小时。然后，利用改进的Long-read ChIA-PET技术构建了RNAPII介导的昼夜染色质相互作用图谱，系统分析了不同三维结构尺度对节律基因转录的影响。

结果表明，在染色质环水平上，RNAPII在早晚分别介导20，667和21，001个染色质远程相互作用，其中32，697个(91%)远程相互作用在早晚是特异的。一天中相同或相邻阶段的节律基因往往会聚集在一起进行合作表达。来自同一基因位点的染色质环形成染色质空间相互作用簇(CSC)。研究发现，节律性表达基因倾向于在早晨特异性CSC中富集，而非节律性基因倾向于在晚上特异性CSC中富集。对昼夜染色质相互作用网络的分析表明，核心时钟基因早上都分布在RNAPII介导的染色质连接网络中，而晚上分散分散在较小的染色质连接网络中，这表明核心时钟基因早上在空间上相互靠近进行协同转录，而晚上则位于离散的“转录工厂”。这些对水稻昼夜动态变化和节律基因交互调控信息的高分辨率三维研究，有助于我们深入理解水稻不同空间尺度下DNA顺式调控元件相互作用的节律变化规律，进而阐明调控基因节律表达的机制和重要农艺性状，为水稻改良和其他经济作物的研究提供重要的指导意义和科学价值。

华中农业大学博士后邓丽和博士生高柏柏是该论文的共同第一作者。生命科学与技术学院李兴旺教授为通讯员，信息科学学院李国梁教授参与项目指导。该研究得到了国家重点研发项目的支持；d计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中央高校基础科学研究专项基金、作物遗传改良国家重点实验室独立项目、基因组研究与水稻改良创新团队。(100yiyao.com)

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