玉米雌、雄穗中开放染色质区域和表观基因组特征的鉴定
远端开放染色质区域的动态活性及转录因子结合有助于基因的组织差异表达
近日，国际学术期刊Genome Biology在线报道了华中农业大学杨芳教授和李兴旺教授团队合作完成的题为“3D genome architecture coordinates trans and cis regulation of differentially expressed ear and tassel genes in maize”的研究论文。文章描绘了玉米发育早期雌穗和雄穗原基的高分辨率全基因组三维互作图谱、开放染色质图谱、组蛋白修饰图谱、DNA甲基化图谱和转录组图谱，并揭示了顺式和反式因子及其在三维基因组层面对玉米雌穗和雄穗间基因差异表达的调控，为表观遗传在玉米雌穗和雄穗身份性别的分化差异调控上提供了一定的理论基础。
玉米作为一种重要的粮食作物，其雌穗和雄穗的正常发育对玉米生殖和产量至关重要。雌穗和雄穗有着极为相似的起始发育进程，但后期会逐渐分化成不同的形态和性别。前人研究克隆了一些影响雌穗和雄穗发育形态及性别的关键基因，但基因组层面的顺式和反式调控因子及三维染色质互作对此分化进程的调控尚不清楚。
研究者首先利用ATAC-seq技术在2-4mm的玉米雌穗和雄穗中分别鉴定到了56,055和52,633个开放染色质区域（OCRs），结合3种组蛋白ChIP-seq，Bisulfite-seq和RNA-seq数据集详细阐述了这些 OCRs附近的多种表观特征及其对基因表达的影响，检测到~50%的差异表达基因发生了至少一种表观特征的改变，其中包含一些已知的穗发育和性别决定基因，如TB1，GT1，SK1，TS1等。利用已公开的玉米转录因子ChIP-seq数据分析发现转录因子倾向于结合于OCRs，其结合强度与OCRs的开放程度显著正相关。研究中鉴定到的雌、雄穗间差异表达转录因子在差异表达基因附近OCRs上的结合，揭示了潜在的组织间差异调控途径。
同时研究者还利用高效的in situ DLO Hi-C方法构建了雌穗和雄穗的高分辨率全基因组三维互作图谱，并鉴定到了大量的染色质交互（loops），其中包含许多基因远端OCRs （dOCRs）和基因的交互，包括TB1，RAP2.7，BX1基因与其已知的远距离调控位点，同时也检测到一些关键穗发育基因和dOCRs的交互，暗示了远端调控元件（distal CRE）与基因间的交互在穗发育过程中的重要调控作用。研究者还发现dOCRs的活性强弱与雌、雄穗间基因表达差异相关，基因表达受其互作dOCRs招募的转录因子协同调控，并构建了经典驯化基因TB1在雌穗和雄穗中差异表达调控模型，为阐明TB1调控玉米株型的分子机制提供了更深入的理解。最后，作者发现大量已知雌穗和雄穗农艺性状相关的基因间区SNPs与基因形成染色质交互，可能参与调控靶基因表达，为解析基因间区QTL位点的作用机制提供了依据。
华中农业大学博士研究生孙永浩和硕士研究生董亮为文章共同第一作者，杨芳教授和李兴旺教授为通讯作者，华中农业大学李国亮教授等参与了该工作。
原文链接：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-020-02063-7
日期：2020-10-14
