Genome Biology｜周岳课题组揭示了拟南芥中启动子空间调控模式和喷泉结构形成机制
启动子在动植物的转录调控中发挥了重要的作用。在哺乳动物中，启动子可以与增强子等顺式元件远距离互作，激活下游基因的转录。研究表明，H3K27ac 是哺乳动物增强子的表观标记，这个特点可以用于在全基因组范围内寻找和鉴定增强子。然而，在拟南芥中，由于缺少特定的组蛋白修饰标记、紧密的基因组以及实验技术的限制，启动子和增强子的互作调控解析具有很大的挑战性。
2024年12月31日，北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、现代农学院、北大-清华生命科学联合中心周岳课题组在Genome Biology上发表了题为“Promoter capture Hi-C identifies promoter-related loops and fountain structures in Arabidopsis”的研究论文，在拟南芥中首次使用启动子捕获Hi-C（promoter capture Hi-C, PCHi-C）技术，揭示了启动子空间调控模式并解析启动子相关“喷泉”结构的形成机制。
首先，本研究通过PCHi-C技术鉴定了拟南芥中的启动子相关的染色质环。结果表明基因体（gene body）、近端启动子(proximal promoter)和基因间区(intergenic region)可以与启动子之间形成染色质环，并作为远端调控元件或增强子发挥作用。启动子相关的染色质环在转录调控中倾向于抑制基因转录，并与有序的染色质高级结构相关。除本实验室已经鉴定到的拓扑关联域（TAD）外（Yin et al., 2023），本研究鉴定到了在植物中没有被系统研究过的喷泉结构（fountain structures）与启动子相关染色质环紧密相关。在形成机制上，本研究进一步发现cohesin可以结合到喷泉结构的中心并参与喷泉结构的形成。此外，喷泉结构的染色质相互作用强度与启动子相关染色质环的数量呈正相关，而这些染色质环的维持与H3K4me3修饰水平有关。在拟南芥H3K4me3的甲基转移酶突变体（atxr3）中，喷泉内部启动子相关染色质环的数量减少，导致喷泉结构调控的基因表达上调。
综上所述，本研究在拟南芥全基因组范围内鉴定了启动子相关染色质环，并且发现这些染色质环对基因表达发挥负调控作用。同时，这些染色质环与其他染色质高级结构紧密相关，并参与“喷泉”结构维持，而该结构的形成依赖于cohesin（图1）。PCHi-C在拟南芥当中的开发和应用，对在大基因组作物中寻找启动子远程互作元件以及解析启动子调控模式具有重要意义。
图1：启动子相关染色质环调控模型。A.启动子相关环与TAD结构和喷泉结构密切相关。B.喷泉结构的形成和维持分别与cohesin和H3K4me3修饰相关。C.启动子相关环和基因表达负相关。
北京大学前沿交叉学科研究院博士生王鼎岳、现代农学院博士生肖苏芯和前沿交叉学科研究院博士生舒家悦为本文的共同第一作者。北京大学现代农学院博士生骆凌潇和杨敏琪同样参与了工作。西班牙植物生物化学和光合作用研究所Myriam Calonje研究员、北京大学生命科学学院何航研究员和北京大学现代农业研究院宋宝兴研究员也为本工作做出了重要贡献。北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、现代农学院、北大-清华生命科学联合中心周岳研究员为该工作的通讯作者。该研究得到科技创新2030-重大项目、国家自然科学基金、中国科学院青年交叉团队、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、北京大学现代农学院、北京大学-清华大学生命科学联合中心的资助。
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周岳
北京大学现代农学院研究员
北大-清华生命科学联合中心PI
邮箱：
yue_zhou@pku.edu.cn
实验室主页：
http://www.cls.edu.cn/PrincipalInvestigator/pi/index4281.shtml
研究领域：
周岳实验室致力于研究表观遗传调控在植物发育和植物对环境的响应中的作用，通过跨学科的研究方法，利用遗传学、基因组学、细胞生物学和生物化学等研究手段，重点研究植物染色体3D结构的分子机理以及生物学功能。主要研究结果以第一作者发表在Nature Genetics，Genome Biology, PNAS，Plant Cell，Plant Physiology等刊物上。回到北大后，以通讯作者在Nature Communications, Plant Cell发表文章，揭示了植物染色体一级以及3D结构的调控模式。
本文来源： 生命科学联合中心
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