文獻│華中農業大學科學家成功繪製玉米高分辨三維基因組圖譜 │ ABclonal 實驗室抗體一點通

題目：Chromatin interaction maps reveal genetic regulation for quantitative traits in maize

期刊：Nature Communications

ABclonal產品：H3K4me1(A2355)、H3K4me3(A2357)、H3K27ac(A7253)、H3K27me3(A2363)

物種：玉米

應用：Long-read ChIA-PET，CHIP-Seq

一、研究背景

玉米是世界上最重要的糧食作物之一，研究表示，玉米基因組大部分區域都為非編碼區，且QTL和GWAS分析結果顯示，玉米品種的表型差異大部分都來源於非編碼區序列的遺傳變異，非編碼序列通過參與基因的表達調控而影響表型。如目前在玉米中鑑定到的青花素合成基因B1，株型基因TB1，以及開花期基因ZmCCT9和vgt1，都受到非編碼區序列的調控。然而，玉米的非編碼區調控元件調控目的基因表達的分子機理目前還不清楚。

真核生物中，順式調控元件可以與同一染色體上的其他區域(即使線性結構上相隔很遠)發生互作，形成DNA環，並調控該位點的基因表達。因此，染色質的互作模式對於解析基因的表達調控非常重要。三維基因組學是一門專門研究染色體空間結構以及染色質互作的學科。常用的研究方法有Hi-C和CHi-PET等，其中，Hi-C是一種非靶向的研究方法，能夠研究基因組內所有的互作，但是其分辨率較低；而CHi-PET能夠研究某個特定蛋白所介導的染色質互作，雖然所得到的數據量較Hi-C少，但是分辨率更高，適用於研究某個特定蛋白所介導的染色質互作。

華中農業大學李興旺教授，嚴建兵教授和李國亮教授團隊合作，首次利用Long -read ChIA-PET技術，解析了玉米活躍表達基因中的順式調控元件所參與的染色質互作，該結果揭示了玉米染色質互作調控基因的表達進而影響表型變異的潛在機理。華中農業大學博士研究生彭勇和熊丹為論文的共同第一作者。

二、研究內容及結果

➤1、CHiA-PET研究了H3K4me3和RNA聚合酶所介導的基因組遠程互作

本研究首先利用RNA聚合酶II (RNA Polymerase II )和不同組蛋白修飾的CHIP-seq數據，定義了玉米品種B73的功能性DNA順式調控元件。並結合RNA-seq數據，研究了這些調控元件在基因表達中的作用。同時利用MNase測序數據和DNA甲基化數據定義了遠程順式調控元件，並鑑定到了遠程調控元件中保守的DNA motif。高豐度的H3K4me3修飾和RNAPII結合(RNAPII occupancy)是基因活躍表達的重要特徵之一，作者利用H3K4me3抗體(ABclonal提供，A2357 )和RNAPII的抗體進行了Long-read ChIA-PET實驗，結果鑑定到了H3K4me3所介導的染色質互作49766個， RNAPII 介導的染色質互作25002個。綜合兩個ChIA-PET數據，共檢測到28875個基因啟動子和基因啟動子互作用（Promoter proximal region interaction，PPI），9152個遠程順式調控元件和基因啟動子的相互作用（啟動子近端和遠端相互作用，PDI）。

Figure 1. Characterization of RNAPII and H3K4me3 ChIA-PET data in maize seedlings

➤2、eQTL控制eTrait與基因組遠程互作有關

將基因的表達水平（eTraits）作為表型進行QTL定位，可以鑑定到控制該eTrait的eQTL，對前期B73和Mo17重組自交系群體中鑑定到的eQTL和eTrait數據進行了分析，結果顯示，eQTL和eTrait發生基因組遠程互作的機率顯著高於隨機區域（Figure 2b，2d），這說明eQTL可能通過基因組遠程互作調控基因的表達（eTrait），基於此，作者提出了eQTL調控基因表達的染色質互作模型（Figure 2i）。

Figure 2. Regulation of eQTLs to their associated genes mediated by chromatin interactions.

➤3、染色質互作影響玉米的表型

研究人員發現參與染色質互作的DNA順式調控元件在農藝性狀和代謝產物相關QTL中顯著富集（Figure 3d）。比如一個開花相關QTL被定位在了開花基因ZmCCT9上游57 Kb處的一個轉座子元件處，該轉座子能抑制ZmCCT9的表達從而促進開花，而本研究鑑定到了一對分別錨定在ZmCCT9啟動子和該轉座子遠端元件的互作（Figure 3e）。另外， vgt1是另一個被定位在基因間區的開花相關QTL，本研究結果顯示，vgt1附近的一個調控元件能和其上游70 Kb處的ZmRap2.7發生明顯互作（Figure 3f）。這些結果表明，玉米基因組中的遠端調控元件可能通過染色質互作，影響下游靶基因的表達進而產生表型變異。

Figure 3. Chromatin loops connect QTLs to the genes causing phenotypic changes.

文章小結

基因的表達調控一直是生命科學領域最重要的研究方向，染色質互作是基因表達調控的重要方式，但是在之前的研究中較少涉及。本研究利用最新的三維基因組的研究方法，繪製了玉米苗期活躍表達基因的順式元件的三維互作模式，該結果對於玉米基因表達調控研究具有重要作用，進而對玉米複雜數量的解析提供了線索。

三、表觀抗體案例展示

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ABclonal 實驗室抗體一點通

2019年10月1日星期二