The Plant Cell | 拟南芥中群体水平的lncRNA注释揭示了大量与类转座元件沉默相关的表达变异

基因组中只有一小部分编码蛋白质，其余大部分是非编码区，lncRNAs（long non-coding RNAs）在其中扮演着极其重要的角色。在人类基因组中，lncRNAs的数量超过了蛋白质编码基因，并且已被证明与各种疾病相关。然而，对lncRNAs在植物中的作用仍知之甚少。

2023年9月8日，国际知名期刊The Plant Cell在线发表了来自奥地利科学院孟德尔研究所维也纳研究中心Magnus Nordborg教授团队题为“Population-level annotation of lncRNAs in Arabidopsis reveals extensive expression variation associated with transposable element-like silencing”的研究论文，该研究以拟南芥为模型，使用包含499份自然资源和5个发育阶段的转录组深度测序数据集，创建了覆盖整个群体的lncRNA注释，并揭示了数千个以前未被注释的lncRNA位点，提高了对植物中lncRNA的理解。

首先，作者使用polyA+链转录组深度测序（RNA-seq）数据集，这些数据集涵盖499份材料的5个不同发育阶段，并对其进行转录组注释。总共鉴定到23676个蛋白质编码基因（PC）和11295个lncRNA位点，其中lncRNA位点占总转录组注释的29%。此外还鉴定到许多跨品种/组织的TE基因和TE片段，其中有579个TE基因的剪接异构体之前被注释为单外显子。之后作者根据lncRNAs的基因组位置对其进行分类，72%为反义（AS）lncRNAs，20%为long intergenic ncRNAs（lincRNAs），6%为与TE基因反义的lncRNAs（AS-to-TE lncRNAs）（图一）。

图一：在数百份材料和若干组织中绘制lncRNA转录图谱，可以发现数千种以前未注释的lncRNAs。

之后，为了量化lncRNAs和其他类型基因表达的自然变异，作者使用461份种质的RNA-seq数据计算了方差系数。与人类和小鼠相似，AS lncRNAs和lincRNAs的表达均显著高于蛋白编码基因。特别是lincRNAs表现出几乎与TE基因相当的表达变异性，与TE基因反义的lncRNAs的表达变异性与TE基因的表达变异性相似。此外，研究表明lncRNAs的表达有明显噪声和更高的昼夜表达变异性。为了说明lncRNAs表达变异的程度，作者绘制了不同类型基因在三份材料四个组织中的表达热图。总之，lncRNA表达在不同种质，不同组织甚至不同重复之间都表现出高度的变异性（图二）。

图二：lncRNAs在不同的品种中表现出广泛的表达变异性

为了表征拟南芥中lncRNAs的表观遗传模式并且研究它们普遍存在的沉默，作者对多个植株进行了ChIP-seq和亚硫酸氢盐测序。在ChIP实验中，作者选择了两个激活标记（H3K4me3和H3K36me3）和三个抑制标记（histone H1，H3K9me2和H3K27me3）。研究表明，AS lncRNAs和PC基因显示出相似的染色质修饰水平，不同的是PC基因在转录起始位点显示H1和H3K9me2水平的下降，在转录结束位点显示增加，而AS lncRNAs在整个基因中呈均匀分布。为了证实lncRNA位点上的抑制标记与沉默相关，作者检查了表达基因和沉默基因之间的表观遗传差异(同样的样本用于ChIP-seq、亚硫酸氢盐测序和RNA-seq)。抑制标记H3K9me2和H1在沉默基因中显著富集。虽然这一结果适用于所有基因类别，但TE基因的H3K9me2差异特别高，这表明TEs通常因H3K9me2沉积而沉默（图三）。

图三：拟南芥中lncrna的表观遗传模式表明它们普遍存在沉默

综上所述，该研究为植物中lncRNAs的生物学特性提供了新的见解，确定了TE相似性在lncRNA沉默中的主要作用，并为拟南芥群体提供了广泛的注释和数据资源。

原文链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koad233

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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