水稻甲基转移酶OsMET1-2突变引发的染色质构型变化及其与转录表达和表观遗传修饰变异之间的关系

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目前,高通量染色质构象捕获技术(high-throughput chromosome conformation capture,Hi-C)技术已在真核生物染色质构型的相关研究中得到了广泛应用。以动物为模型的研究已经表明表观遗传修饰与染色质构型的建立密切相关。然而,在植物物种中,关于表观遗传修饰,尤其是DNA甲基化是否及如何调控染色质构型建立的相关研究却鲜有报道,有限的认知也仅是源于在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)中开展的部分研究。鉴于不同植物物种之间在细胞核基因组大小、组成及染色质排布方式等方面均存在较大的差异,现有的拟南芥中关于DNA甲基化影响染色质构型的相关规律是否适用于其它植物物种仍有待进一步的证实。此外,由于拟南芥中不含有典型的TADs(topological associated domains)结构,这一系统性缺陷也导致了“植物基因组DNA甲基化是否及如何参与TADs结构的建立和维持”这一重要问题仍待回答。本研究利用Hi-C技术,构建了水稻(Oryza sativa L.ssp.japonica)物种内Os MET1-2基因(编码维持CG甲基化的主效甲基转移酶)功能缺失突变体(osmet1-2 mutant)的高分辨率染色质互作图谱。研究发现,与研究组之前发表的野生型水稻(WT)的染色质构型相比,osmet1-2突变体在各层级染色质构型层面,均发生了显著的改变,其中包括:染色体内(Intra-chromosomal)和染色体之间(Inter-chromosomal)交互强度的改变、A/B区室的转换以及TADs结构的重排和表观组成类型的变化。此外,结合已发表或本研究新完成的两个水稻材料的DNA甲基化组(DNA methylome)、组蛋白修饰的免疫共沉淀(histone chromatin immunoprecipitation)、蛋白编码基因转录组(m RNA transcriptome)、长链非编码RNA(long non-coding RNA,lncRNA)测序数据,本研究也对水稻三维染色质构型与基因和非编码区的转录及表观遗传DNA甲基化修饰间的关系进行了深入分析。研究创新性发现,CHH甲基化可能通过调控局部lincRNA(intergenic long non-coding RNA)的表达间接参与了TADs结构的建立;而通过平行比较拟南芥At MET1基因功能缺失突变体(atmet1)与野生型拟南芥(Col-0)染色质结构的差异,结果表明在水稻和拟南芥中,DNA甲基化的丢失对染色质构型的影响是保守的。本研究不仅提供了业内首个高分辨率的水稻CG甲基化突变体的Hi-C染色质互作图谱,并从不同维度和角度系统探究了DNA甲基化对水稻三维染色质构型的影响。相关研究为探索植物中染色质TADs结构的形成机制提供了全新的研究视角,也为重要粮食作物水稻的功能基因组研究和后续的水稻改良提供了重要的理论参考。
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