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华中农大水稻单细胞染色质三维基因组结构研究取得进展

核心提示: 近日,我校作物遗传改良国家重点实验室周道绣教授课题组在国际学术期刊Nature Plants在线发表了题为《Single-cell three dimensional genome structures of rice gametes and unicellular zygote》的文章。

南湖新闻网讯(通讯员 周少立 赵毓)近日,我校作物遗传改良国家重点实验室周道绣教授课题组在国际学术期刊Nature Plants在线发表了题为《Single-cell three dimensional genome structures of rice gametes and unicellular zygote》的文章。该研究分析了植物配子、合子和叶肉细胞的染色质空间结构,首次从单个细胞水平揭示了水稻染色质的三维基因组特征,展示了配子在受精前后的染色质空间结构的变化及其与基因表达的关系。该结果对于研究植物合子基因组激活和胚胎发育的染色质基础,解析亲本基因组互作及其在杂种优势形成中的机制都具有十分重要的意义。

染色质三维基因组是表观基因组研究方向的重要组成部分,研究染色质三维基因组对于理解染色质生物学、染色质修饰和基因表达的表观调控机制十分重要。近年来发表的植物染色质三维空间结构主要是通过运用原位Hi-C技术在混合的植物组织或器官样品中获得,实际上是成千上万个不同细胞的平均值结构。

在本研究中,作者开发了一种植物单细胞Hi-C技术(scHi-C)。利用该技术作者分别解析了水稻精细胞、卵细胞、合子细胞和叶肉细胞等单细胞的染色质三维空间结构。发现每个细胞中染色质的空间折叠不同,说明染色质的空间结构实际上是一个动态的结构。相对于卵细胞和体细胞而言,精细胞和合子染色质三维结构表现出了更为紧密的折叠状态。与动物细胞中端粒和着丝粒分别聚集在细胞核两极的结构不同,水稻上述四种细胞类型的染色体端粒和着丝粒零散地分布在细胞核中。另外,水稻染色体在空间上一般折叠成两个或三个相对独立的区域,功能不同的区域在核内以相互嵌合的形式分布,也与动物细胞中的结构完全不同。这些染色质空间结构特征可能是植物基因表达的灵活性和可塑性的基础。同时,作者也发现基因表达水平相同或具有类似组蛋白修饰的基因组区域在空间上有明显的局部富集,且表达量越高的区域在空间上相互靠近的可能性越高,说明植物中很多基因的表达具有共调控机制。

在受精过程中,精细胞和卵细胞融合形成合子。亲本染色质在合子中如何在空间上融合和重新组合还不清楚。本研究发现在雌配子中有一个动态的称为CSC的空间基因沉默中心。在雌配子中CSC抑制部分基因表达。受精后,CSC在合子中重新组合,导致原来在雌配子中受抑制的基因得到激活,而另一部分在雌配子和雄配子中原本表达的基因则被抑制。因此,动态的染色质CSC空间结构在合子基因组激活和合子基因表达重编程中以及胚胎早期发育中起十分重要的作用。

综上所述,本研究开发了植物单细胞Hi-C技术,利用可视化三维基因组的方法解析了水稻配子和合子单细胞染色质三维空间结构,探究了水稻单细胞中染色质空间排布特点,揭示了染色质三维空间结构的动态变化及其与合子基因组激活之间的内在关系。该研究成果为理解植物三维基因组结构和受精前后染色质三维空间变化过程及其与植物基因表达的关系奠定了基础。不同背景来源的两个亲本基因组之间的互作正是杂种优势产生的遗传基础。本研究对于解析亲本基因组在合子中的互作在杂种优势形成中的机制也具有十分重要的意义。

生命科学技术学院周少立博士为本文的第一作者,周道绣教授为本文通讯作者。赵毓教授和博士生蒋玮共同参与了本研究工作。本项研究受国家重大研发项目、国家自然科学基金和博士后创新计划的支持。

审核人:赵毓

责任编辑:邓文萱
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