Nature Plants棉花基因組三維構象文章詳細解讀

寫在前面 —— 什麼是三維構象？

大家比較熟悉蛋白質的一級結構決定高級結構，高級結構決定蛋白質的功能。

對於染色體來說，也是同樣的道理。

目前基因組測序獲取了大量物種的染色體的一級結構（通俗講DNA序列），對於基因功能研究起到了重要的作用，但染色體的高級結構（3D結構）對於基因功能研究也是不可或缺的。

下面小編介紹一講3D結構，首先得講Hi-C技術。

Hi-C技術主要將空間結構臨近的DNA片段進行交聯，下染色體3D結構是啥模樣。

並將交聯的DNA片段富集，然後進行高通量測序，對測序數據進行分析即可揭示全基因組範圍內的染色體片段間的交互作用。

利用Hi-C技術可以揭示基因組的三維結構基本特徵，包括從隔室（A/B　Compartments，）到拓撲相關結構域（TAD）,最後再到環（loop）的染色質的這種層級結,從而闡明染色體三維結構。

目前在植物中，染色質相互作用尚未被廣泛研究。

在擬南芥中，3D基因組結構的全基因組分析揭示了染色質相互作用和表觀修飾基的相關性，但在擬南芥中未鑑定到明顯的與哺乳動物類似的TAD結構。

但在擬南芥中，具有數百個TAD-like結構。

隨後在擬南芥單基因高解析度的Hi-C圖譜中分析揭示了基因Loop的結構，推測這可能是擬南芥中的基因組摺疊的一個主要特徵。

水稻3D基因組分析，鑑定了1,763個TAD結構。

最近華中農業大學在Nature Plants發文闡述了棉花基因組的三維結構及其多倍化過程中三維結構的變化。

下面小編詳細解讀一下

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摘要

多倍體的形成顯著增加了轉錄調控的複雜性，這可能與染色體的三維（3D）結構有關。

但目前，關於多倍體化過程中三維基因組的結構及其亞基因組發生的變化研究仍然較少。

作者因此在本文中描述了二倍體和四倍體棉花的3D基因組體的結構，並發現A / B隔室和拓撲結構域（TADs）的存在。

通過比較四倍體中的每個亞基因組與其二倍體祖先基因組的三維結構，作者發現了基因組多倍化過程中發生了A / B隔室的切換和兩個亞基因組中的TAD的重組。

同時作者研究還表明，在多倍化過程中TAD邊界的形成主要發生在開放染色質中，這與活性染色質表觀遺傳修飾標記相一致。

此外，對亞基因組間染色質相互作用的結果分析表明了了同源基因的空間鄰近性，可能與其協調錶達有關。

這項研究提高了對植物染色質三維結構的理解，將為3D基因組進化與轉錄調控之間的關係提供新的視角。

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測序材料

１．三個棉種：雷蒙德氏棉，亞洲棉和海島棉的葉片（分析中陸地棉來源公共數據）

２．測序平台：Illumina HiSeq 3000，PE150,兩個生物學重複

３．各組學測序數據量：

單位Gb;

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長距離交互片段鑑定(Loop)

在雷蒙德氏棉，亞洲棉，海島棉中分別鑑定了 38,713, 16,921 和 51,475個基因間區的DNAase I 敏感位點(DHSs)，這些位點通過Hi-C鑑定的相互作用片段與增強子進行關聯，總共在亞洲棉中獲得了13,418個推測的增強子， 雷蒙德氏棉中10,358 個推測的增強子，海島棉中 23,256個推測的增強子。

在鑑定的增強子中 22.6% 參與了單一的交互，77.4% 的增強子參與了多個交互作用, 暗示了大多數增強子可能調控多個基因。

通過RNA-seq 分析， 鑑定到了 3,879個增強子有轉錄活性，增強子作用的RNA中有43.8% 是長鏈非編碼 RNAs，這可能暗示長鏈非編碼RNA的在維持基因組三維結構潛在的功能。

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A/B　compartment 分析

分析鑑定了54.2%的亞洲棉基因組，52.9%和52.4% 的陸地棉和海島棉At亞基因組屬於 A compartments，比例高於雷蒙德氏棉(45.1%) ，陸地棉Dt亞基因組（45.5% ）和海島棉Dt亞基因組（45.2%）;染色體臂相比於著絲粒區域更加傾向於 ( 69% Vs 20%)分布在與開放染色質關聯的Ａcompartment (圖1), 著絲粒區域更加傾向於分布在 B compartments；A compartments區域基因轉錄活性顯著高於B compartments (圖 2a).

Fig. 1 不同棉種的染色體交互作用圖

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TAD鑑定

範圍：300 kb–2Mb，鑑定個數亞洲棉1,343個，雷蒙德氏棉為913個，海島棉At為1,331個，海島棉Dt為852個。

TAD的邊界傾向於分布於轉錄活躍的基因(Fig. 2b)，暗示了TAD的形成與基因轉錄之間的存在關聯。

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A/B　compartment 轉換

二倍體棉花與四倍體棉花之間的差異分析表明，二倍體和四倍體亞基因組之間的差異大於兩個四倍體之間的差異（圖3a，b）。

A/B　compartment比較分析，相比於二倍體亞洲棉，在陸地棉和海島棉中分別鑑定了50.6Mb和52.5Mb基因組的區域存在A到B的轉換，而存在27.1Mb和27.8Mb的基因組區域存在Ｂ到Ａ的轉換（圖4a）。

在Dt亞基因組中，通過與雷蒙德氏棉比較，在陸地棉和海島棉中分別僅鑑定到了4.9Mb和5.6Mb的基因組區域存在A到B隔室的切換，6.5Mb和7.9Mb的B到A的轉換（圖4a）。

這些結果表明，在多倍化的過程中，compartments傾向於A到B的轉換（由常染色質轉變為異染色質）；同時相對於祖先基因組，亞基因組發生不同程度的compartment的轉換，At亞基因組轉換明顯高於Dt。

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TAD邊界與保守性分析

在TAD 水平, 比較了保守的TAD邊界和非保守的TAD的邊界基因表達的差異。

非保守的 TAD 邊界中基因傾向於存在差異表達( P<0.01). 在兩個亞基因組中總共鑑定了1,329個差異基因。

棉花TAD邊界的表觀遺傳修飾，以及探討多倍化形成過程中的影響機制。

通過分析發現每個棉花的TAD邊界都具有高水平的DNase I敏感性（圖5），表明TAD的邊界是富含開放的染色質。

染色質修飾使用三個染色質標記的ChIP-seq數據進行了研究（圖5）。

發現TAD的邊界富含豐富的H3K4me3（活性染色質標記），缺少H3K9me2（異染色質表觀遺傳標記）。

值得注意的是，H3K27me3（無活性染色質標記）在任何棉花種質中的TAD邊界富集。

此外，TAD邊界周圍的DNA甲基化（CG，CHG和CHH）分析表明，TAD邊界的DNA序列CG和CHG甲基化水平較低，CHH甲基化在TAD內部與之間無顯著差異（補充圖6）。

這些表觀遺傳修飾有助於在TAD邊界上富集活性基因（圖2b），表明活躍的轉錄可能有助於形成的TAD邊界。

比較它們在保守TAD邊界和非保守的TAD邊界中的分布。

使用二倍體的TAD邊界作為參考，發現在四倍體棉種中的At和Dt亞基因組保守的TAD邊界比非保守的邊界顯著富集DNase I的超敏感性信號（圖5）。

在H3K4me3表觀遺傳標記中觀察到類似的分布模式。

H3K9me2在保守邊界的信號低於非保守的邊界。

但H3K27me3的水平在在保守與非保守的TAD邊界沒有顯著差異（圖5）。

除此之外，發現CG和CHG甲基化水平在保守的TAD邊界上低於非保守的TAD邊界（補充圖6）。

這進一步說明了在棉花多倍化過程中TAD形成和的基因組表觀修飾存在關聯。

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同源基因的相互作用分析

At和Dt亞基因組如何在亞基因組水平上相互作用？為了調查這個現象，在陸地棉中確定了總共22,738個染色體間相互作用，在海島棉中確定了21,749個相互作用。

發現了亞基因組間的相互作用占據了大約四倍體棉花中所有這些相互作用的一半（陸地棉45.5％，海島棉47.1％）。

At亞基因組中染色體間相互作用的比例（At-At）高於Dt亞基因組（Dt-Dt），可能是由於At亞基因組大比Dt亞基因組大的原因。

亞基因組間普遍的相互作用，暗示了其可能對同源基因（每個亞基因組分布為1：1）的轉錄調控產生影響。

通過與15,456個同源基因對分析，在陸地棉確定了3,339（21.6％）對基因存在相互作用，在海島棉中發現了2,784對（18.0％）基因存在相互作用。

通過RNAseq分析，發現有些高表達基因偏向於具有弱的染色質交互作用（補充圖7b）。

存在表達偏好（２倍）的基因在陸地棉中有25.9％，海島棉有27.2％具有染色質相互作用。

這些數據為揭示了多倍體中同源基因的協調錶達一個新機制。

小編總結

本文通過雷蒙德氏棉（DD）和亞洲棉（AA）以及四倍體栽培種海島棉（AADD）進行Hi-C測序，解釋了棉四倍化過程中的三維構象變化。

Hi-C技術現在的應用方向主要在兩個方向，一是基因組染色體掛載，而是染色體互作（三維構象）。

百邁客自2015年推廣Hi-C技術以來，完成了上百個基因組組裝項目，2016年中旬開始研究染色體的三維構象，目前已經實現大多數二倍體、多倍體的植物以及多數動物的三維構象研究。

在Hi-C的兩項研究中Hi-C建庫成功率高達96%。

各種類型植物的Hi-C建庫均已實現建庫，在各類水產動物、哺乳動物、昆蟲、真菌等也已成功實現建庫。

百邁客期待與您的合作。

參考文獻

Maojun Wang etal. Evolutionary dynamics of 3D genome architecture following polyploidization in cotton[J].Nature Plants,2018