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我校学者联手绘制玉米高分辨三维基因组图谱

核心提示: 近日,我校李兴旺教授、严建兵教授和李国亮教授团队合作,首次利用Long-read ChIA-PET技术,绘制了玉米活跃表达基因参与的高分辨率三维基因组图谱,鉴定了基因组顺式调控元件三维互作模式,揭示了玉米三维基因组结构调控基因的表达进而影响表型变异的潜在机理。

南湖新闻网讯(记者 科宣 通讯员 彭勇)近日,我校李兴旺教授、严建兵教授和李国亮教授团队合作,首次利用Long-read ChIA-PET技术,绘制了玉米活跃表达基因参与的高分辨率三维基因组图谱,鉴定了基因组顺式调控元件三维互作模式,揭示了玉米三维基因组结构调控基因的表达进而影响表型变异的潜在机理。6月14日,该研究成果以“Chromatininteraction maps reveal genetic regulation for quantitative traits in maize”为题在线发表在国际学术期刊《Nature Communications》。

三维基因组手段成为破解遗传机理的“关键钥匙”

玉米基因组中超过80%序列都位于基因间区,其中包含许多已经鉴定的影响重要农艺形状的遗传变异,比如已经验证的部分调控元件,有促进玉米植株花青素合成基因b1, 影响玉米分蘖的tb1和控制开花期的vgt1ZmCCT9等。但是,玉米中这些位于基因间区的顺式调控元件影响基因表达的机制尚不清楚。

以动物为模型的相关研究发现远程顺式调控元件主要通过与目标基因空间邻近来发挥作用。因此,通过三维基因组的手段来解析玉米中顺式调控元件的作用机制显得尤为重要。而传统的三维结构研究方法受限于精度不高等因素,很难得到高分辨率的三维结构图谱,制约了科学家对这一机制的破解。

创新方法,联手绘制玉米高分辨三维基因组图谱

来自我校生科院、植科院和信息学院的研究团队跨领域合作,利用创新的实验方法,产生了RNA聚合酶II(RNAPII)和H3K4me3抗体的Long-read ChIA-PET数据,成功构建了精确到基因水平的高分辨率玉米三维基因组结构图谱。

本研究首先利用不同组蛋白修饰的ChIP-seq数据,定义了玉米品种B73苗期叶片基因的启动子区域,同时利用开放染色质区间和DNA甲基化数据鉴定了远程顺式调控元件。Long-read ChIA-PET实验结果显示,RNAPII介导了25002个染色质远程互作,H3K4me3修饰区域(主要是启动子区)参与了49766个远程互作。综合两个ChIA-PET数据,在玉米中共检测到28875个基因启动子和基因启动子互作(PPI),9152个远程顺式调控元件和基因启动子的相互作用(PDI)。

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启动子和顺式调控元件的鉴定

按图索骥 取得高水平创新成果

基于高分辨率的图谱,研究团队进一步按图索骥,详细展示了启动子和启动子交互基因(Promoter-promoter Interaction, PPI model)的基本特征。同时研究人员将已发表的eQTL与染色质远程交互的数据相结合,提出三维空间的邻近为基因的表达调控提供了基础。研究人员还发现参与染色质远程互作的DNA顺式调控元件在农艺性状和代谢产物相关的QTL中显著富集。已经被验证的vgt1ZmCCT9调控位点,也被检测到与目标基因存在空间邻近。系列成果表明,玉米高分辨率三维基因组的研究对于玉米功能基因组的研究,以及对于玉米复杂农艺性状的研究都有重要的意义。

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华中农业大学博士研究生彭勇和熊丹为论文共同第一作者。生命科学技术学院李兴旺教授、植物科学技术学院严建兵教授和信息学院李国亮教授为共同通讯作者。研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金,以及作物遗传改良国家重点实验室自主课题和华中农业大学自主创新课题等项目的支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-10602-5

审核人:李兴旺

责任编辑:兰涵旗
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