【Nature Com】新领域！研究揭示植物染色体外环状 DNA （eccDNA）的表观遗传调控

8月28日，Nature communications在线发表了法国发展研究院（IRD）、植物基因组与发育实验室Marie Mirouze团队及其合作者题为“Extrachromosomal circular DNA and structural variants highlight genome instability in Arabidopsis epigenetic mutants”的研究论文。该研究通过mobilome-seq建立的 eccDNA库，发现表观遗传突变体中的高 eccDNA 负载与基因组中新的 TE 插入相关，并表明这些eccDNA和突变引起的大SV，可影响基因组的稳定性；揭示了表观遗传对eccDNA的调控及其对基因组的影响。

https://doi.org/10.1038/s41467-023-41023-0

几十年来，虽然染色体外环状 DNA (eccDNA) 在真核细胞（包括真菌、果蝇、线虫、植物和哺乳动物）中已被描述。但直到最近，由于特定eccDNA 测序方法（例如 mobilome-seq、CIDER-seq和circle-seq）的发展，这部分遗传物质才受到关注。EccDNA可能源自串联拷贝（例如核糖体 DNA 或端粒 DNA）之间的虚假同源重组或微同源性重组；也可以通过同源重组 (HR) 或非同源末端连接 (NHEJ) 将活性转座元件 (TE)染色体外的线性 DNA 环化形成。虽然eccDNA与TE活性相关；然而，eccDNA 区室如何受表观遗传调控以及它对基因组的影响，尚不清楚。

利用mobilome-seq，该研究首先建立了野生型和表观遗传突变体（ddm1、polIV、rdr6、ddm1 polIV、ddm1 rdr6和 ddm1 polIV rdr6）的 eccDNA 库。通过分析318 个 TE 家族显示，与 WT 相比，来自 EVD 和 VANDAL21 的TE 家族由 eccDNA形成，并只在三重突变体中富集；表明拟南芥表观遗传突变体中的高 eccDNA 负载与基因组中新的 TE 插入相关。同时，Copia逆转录转座子（EVD和ATCOPIA21）优先插入外显子内，VANDAL21主要插入在活性基因的5'UTR，ATENSPM3插入位点则更广泛地分布在基因旁边（Figure 1）。

Figure 1．表观遗传突变体的高 eccDNA 负载与基因组中新的 TE 插入相关

该研究检测到，高负载的 TE 衍生的 eccDNA（TE-eccDNA）具有截短和嵌合形式；截短的 EVD 在拟南芥表观遗传突变体中被检测为 eccDNA或新的整合基因组拷贝。此外，研究人员还观察到 ATCOPIA21 的截断插入；其中，两个截断插入包含明确的目标位点重复 (TSD)。值得注意的是，所有的截断插入都具有两个长末端重复（LTR）；表明只有一小部分的截断TE与新的插入事件相关（Figure 2）。

Figure 2．截短的 EVD 在表观遗传突变体中被检测为 eccDNA

迄今发现的所有 eccDNA 均由 TE 衍生的 DNA单独组成。该研究发现，在 ddm1 polIV rdr6 植物中存在嵌合 eccDNA，可源自不同的基因组位点。进一步研究发现，嵌合 eccDNA 可能源自 EVD 在AT5G66440基因位点的新插入（Figure 3）。

Figure 3．三重突变体中的嵌合 eccDNA

除了截短TE的新插入之外，该研究还检测到复杂的结构变异 (SV)；同时，研究人员分别在ddm1的两个姐妹株中检测到 55 kb和 56 kb 大串联重复。但是，该研究并没有鉴定到与这些大片段重复相对应的 eccDNA；表明eccDNA可能是暂时形成的，或者这些 SV 可以通过其他途径生成。通过分析ddm1 和 ddm1 polIV植物中的基因组缺失，该研究发现它们分别存在野生型中没有的85 个和 51 个缺失；表明高 eccDNA 负载可能会影响 DNA 修复途径，导致基因组不稳定和 SV 的积累（Figure 4）。

Figure 4．突变体植物中大SV的检测

综上所述，该研究通过对野生型和多个表观遗传突变体植物的mobilome-seq来表征 eccDNA，发现表观遗传突变体中的高 eccDNA 负载与基因组中新的 TE 插入相关（即TE-eccDNA），并证明 TE-eccDNA可以被截短或嵌合；通过分析这些突变植物的基因组信息，该研究还发现了低甲基化植物中的大SV，表明这些遗传突变背景中存在高度的基因组不稳定性。因此，研究人员推测植物中的高 eccDNA 负载可能会改变 DNA 修复途径，导致基因组不稳定和 SV 积累。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-41023-0

转自：“iPlants”微信公众号

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