Genome Biology | 華中農業大學李興旺課題組繪製水稻晝夜動態變化的三維基因組圖譜

責編 | 王一

近期，華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室李興旺教授課題組繪製了水稻晝夜動態變化的高解析度三維基因組圖譜，系統闡釋了晝夜動態變化的三維基因組結構對節律基因轉錄調控的影響。2022年1月6日，該研究成果以Diurnal RNAPII-tethered chromatin interactions are associated with rhythmic gene expression in rice為題線上發表在國際學術期刊Genome Biology。

課題組前期系統地解析了水稻等模式植物不同組織的線性表觀基因組和三維基因組結構這些相對“靜態”的核內染色質組織形式。事實上，真核生物的三維基因組結構隨時序（如晝夜節律 、 發育階段等）發生動態變化，影響基因表達的種類和強度。因此，需要選擇一個理想的系統，來研究三維基因組結構動態變化規律及其功能。地球自轉產生的晝夜更替引起了光照和溫度等環境的週期性變化，高等生物也演化出了與之相適應的內源性晝夜節律生物鐘。生物鐘產生以大約24 小時為週期的振盪變化，參與調控水稻中超過1/3活躍表達的基因，是生長髮育、新陳代謝和激素訊號傳導等生命活動過程中重要的內源性基因表達調控系統。因此，水稻的節律鍾生物學不僅本身是一個重要的研究領域，同時也是研究三維基因組結構動態變化與基因表達調控的理想模型。

RNA聚合酶II（RNAPII）是真核生物基因轉錄的核心亞基，關鍵轉錄元件。在本研究中，首先繪製了RNAPII在一天中不同時間點的順反組圖譜，顯示35%的RNAPII佔位在一天中呈現節律變化，再結合節律轉錄組資料，發現RNAPII訊號水平與節律基因的表達水平呈現顯著正相關性，且RNAPII招募過程比mRNA積累提前2小時。隨後，利用改進的Long-read ChIA-PET技術，構建了RNAPII介導的晝夜染色質互動圖譜，系統分析了在不同的三維結構尺度下對節律基因轉錄的影響。結果顯示，在染色質環水平，RNAPII在早晚分別介導了20,667和21,001個染色質遠端互作，其中32,697（91%）個遠端互動是早晚特異的。且一天中相同或鄰近相位的節律基因傾向於在空間上聚集在一起，進行協同表達。從同一個基因位點發出的染色質環形成染色質空間互動簇（CSC），研究發現節律表達基因傾向於富集在早上特異的CSC，而非節律基因傾向於富集在晚上特異的CSC。晝夜染色質互動網路分析表明，核心節律鍾基因在早上均分佈在RNAPII介導的染色質連線網路中，而在晚上則是分散開來、零星散佈在較小的染色質連線網路中，這表明核心節律鍾基因在早上彼此空間上相互接近進行協同轉錄，而在晚上則是位於離散的“轉錄工廠” 中。這些晝夜動態變化的水稻高解析度三維基因組學研究和對節律基因的互作調控資訊，有助於我們深入理解水稻不同空間尺度上DNA 順式調控元件之間相互作用的節律變化規律，進而闡明其調控基因節律表達和重要農藝性狀的機理，為水稻遺傳改良和其他經濟作物的研究提供重要的指導意義和科學價值。

ChIA–PET analysis defines the RNAPII interactome in rice during a circadian cycle.

華中農業大學博士後鄧利和博士研究生高白白為論文共同第一作者。生命科學技術學院李興旺教授為通訊作者，資訊學院李國亮教授參與了課題指導。研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金，中國博士後科學基金、中央高校基本科研專項資金以及作物遺傳改良國家重點實驗室自主課題等專案和基因組研究與水稻遺傳改良創新團隊的支援。

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論文連結：

https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-021-02594-7