2023年8月7日，华中农业大学赵伦教授、李国亮教授与南方科技大学朱健康教授合作，在国际学术期刊Genome Biology 发表了题为 “3D organization of regulatory elements for transcriptional regulation in Arabidopsis” 的研究论文，该研究构建了拟南芥高分辨率全景染色质交互图谱，通过多组学分析与实验验证，揭示了顺式调控元件和反式作用因子的三维空间调控网络及其在基因转录调控与成花转化中的作用。
染色质由基因组DNA和组蛋白等组成，在细胞核内有序折叠形成多层级空间结构。染色质状态和三维空间结构参与基因表达调控、DNA复制等重要生物学过程，与生长发育密切相关。基于特定蛋白因子介导的全基因组染色质空间构象捕获技术（例如ChIA-PET、HiChIP、PLAC-seq等）为精细解析动植物基因组的三维空间组织方式及其分子调控机制提供了技术支撑。前期，赵伦博士主导建立了植物高效的ChIA-PET和eChIP-seq技术（Zhao et al., Nat Commun. 2019, 2020)。本研究以成花诱导时期的拟南芥为研究对象，利用优化的植物ChIA-PET技术，构建了RNA聚合酶II（RNAPII）、活跃组蛋白标记H3K4me3和H3K4me1、多梳抑制性标记H3K27me3和异染色质标记H3K9me2介导的拟南芥高分辨率三维基因组图谱（图1），可以高精度地解析DNA顺式调控元件与转录因子的空间组织方式及其生物学功能。
图1. 拟南芥高分辨率三维基因组图谱
综合分析三维基因组、染色质可及性（ATAC-seq）和转录组等多组学数据，研究者首次构建了拟南芥成花诱导时期的染色质精细空间构象，鉴定了包括染色质区室（compartment）和染色质环（loop）等不同层级的染色质结构，揭示了顺式调控元件（如增强子、启动子、抑制子等）参与的空间结构及其潜在功能。研究发现参与活跃染色质交互的顺式调控元件与其近端和远程互作基因（anchor gene）的高表达显著正相关；参与抑制染色质交互的顺式调控元件与其近端和远程互作基因的表达显著负相关。这些顺式调控元件对远程互作基因表达的空间调控模式，表明拟南芥中存在增强子和抑制子等调控元件。本研究提供了全基因组顺式调控元件的远程互作基因，其具体功能有待进一步深入研究。
与转录因子ChIP-seq数据整合分析发现，转录因子结合的靶基因倾向于富集在特定的染色质空间交互簇（hub），提示转录因子调控的靶基因倾向于空间互作并协同表达。随后，研究者以转录因子突变体myc2为例，进一步分析了转录因子在三维基因组结构形成和基因转录调控中的作用。结果表明，MYC2突变造成约18%的MYC2相关hub部分或完全解聚，约80%的hub保持相对稳定。结合解聚hub中锚定基因的表达变化，研究者提出：转录因子通过重塑基因组空间结构，创造不同的染色质微环境来调控基因表达（图2）。
图2. 转录因子介导的三维基因组结构
同时，在拟南芥成花诱导阶段，成花诱导基因倾向于在活跃标记相关的染色质空间互作网络中富集，而茎顶端分生组织决定基因富集在多梳抑制性标记相关的染色质互作网络中（图3），提示染色质高级结构对开花基因转录进行了组织特异性与时序调控。此外，研究发现遗传变异（如SNP）可能通过染色质远程互作调控开花基因（例如FT，FRI等）进而影响开花性状。这些结果表明，染色质环为功能元件远程调控基因转录和重要性状形成提供了基因组空间拓扑基础，这种调控作用可能是一种普遍的机制，将传统遗传关系转化为实实在在的顺式元件之间的空间互作，对解析重要性状形成的遗传调控机理有重要的理论意义。
图3. 拟南芥开花基因参与形成的三维连接网络
总之，该研究在调控元件水平解析了拟南芥三维基因组结构，揭示了转录因子在基因组空间结构和基因转录调控中的重要功能，为从表观/三维基因学视角解析植物（作物）基因转录调控和重要性状形成提供了新资源、新见解和新思路。值得一提的是，该研究是继三个课题组联合解析DNA甲基化与组蛋白修饰之间相互关系及其功能（Zhao et al., Genome Biol. 2022）后，在植物表观基因组领域取得的又一重要进展。
华中农业大学邓利博士和周强伟博士为共同第一作者，华中农业大学赵伦教授、李国亮教授和南方科技大学朱健康教授为共同通讯作者。华中农业大学沈金雄教授、杨超教授、曹罡教授和章清博士等参与了该研究。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国博士后科学基金等项目的支持。
据悉，赵伦教授课题组现招聘博士后人员2名。该课题组以模式植物拟南芥和多倍体模式作物油菜等为研究对象，主要开展植物表观/三维基因组学技术开发与调控机制、油菜多倍体杂种优势与产量性状形成机制等研究。
更多课题组信息详见
https://faculty.hzau.edu.cn/zhaolun/zh_CN/index.htm
参考文献
Zhao L#, Wang S#, Cao Z#, Ouyang W, Zhang Q, Xie L, Zheng R, Guo M, Ma M, Hu Z, Sung WK, Zhang Q, Li G*, Li X*. Chromatin loops associated with active genes and heterochromatin shape rice genome architecture for transcriptional regulation. Nature Communications. 2019. 10(1):3640.
Zhao L#, Xie L#, Zhang Q#, Ouyang W, Deng L, Guan P, Ma M, Li Y, Zhang Y, Xiao Q, Zhang J, Li H, Wang S, Man J, Cao Z, Zhang Q, Zhang Q, Li G*, Li X*. Integrative analysis of reference epigenomes in 20 rice varieties. Nature Communications. 2020. 11(1):2658.
Zhao L#, Zhou Q#, He L#, Deng L, Lozano-Duran R, Li G*, Zhu JK*. DNA methylation underpins the epigenomic landscape regulating genome transcription in Arabidopsis. Genome Biology. 2022. 23(1):197.
原文链接：
https://doi.org/10.1186/s13059-023-03018-4
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