邓兴旺实验室朱丹萌课题组取得植物转录抑制调控分子机制研究突破

邓兴旺实验室朱丹萌课题组在对于植物特有非编码RNA HID1的研究中，发现拟南芥中HID1基因座下游1.8 kb的位置存在一个功能冗余的同源基因HIL1。野生型中HIL1的表达水平显著低于HID1，提示HIL1位点可能存在特异的转录抑制调控。通过正向遗传学筛选，课题组鉴定到一个植物DREAM复合体的特有亚基BTE1 (barrier of transcription elongation 1 )，其功能缺失能够回复hid1突变体幼苗发育迟滞表型至野生型。hid1 bte1的表型回复主因是HIL1的转录抑制释放。进一步研究发现BTE1抑制基因组中上百个基因的转录。借助遗传筛选获得的hid1表型回复显性突变株，研究发现BTE1主要由E2F转录因子招募至靶基因启动子区。BTE1靶基因染色质转录起始位点附近呈现显著的组蛋白H3K4me2修饰富集。BTE1的功能缺失可造成靶基因转录起始位点H3K4me3修饰水平显著上升。有意思的是，BTE1可与COMPASS-like复合物核心骨架蛋白WDR5A直接互作，抑制WDR5A对于靶基因染色质的结合和Pol II介导的转录延伸。分子演化分析显示，BTE1是植物特有基因，其与同源基因BTL1产生于β全基因组复制事件。它们是对抗DNA损伤胁迫的关键因子。

这项研究阐明了非编码RNA HID1同源基因HIL1被选择性转录抑制的分子机理。研究更新了植物中H3K4me2/3修饰变化与特定基因转录状态相关性的认识，揭示了植物BTE1作为关键调控开关调节靶基因上H3K4me3修饰水平与RNA聚合酶II转录延伸，从而抑制基因转录的新机制（图1）。同时，BTE1/BTL1作为植物全基因组加倍提高环境胁迫适应性的重要候选因子，值得进一步深入研究。

这项题为The Arabidopsis DREAM complex antagonizes WDR5A to modulate histone H3K4me2/3 deposition for a subset of genome repression的研究成果于2022年6月28日在《美国科学院院报》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)在线发表（https://www.pnas.org/eprint/Q6FPQRN2MFNZIX4Z3YXW/full）。北京大学现代农学院助理研究员王玉秋博士、博士后范阳阳和已毕业博士生樊德为文章的共同第一作者，朱丹萌副研究员和邓兴旺教授为共同通讯作者。北大未来技术学院孙育杰研究员、北大生科院张蔚研究员和北大现代农学院何跃辉研究员参与了该项研究。这项研究得到了国家自然科学基金委重大研究计划、科技部国家重点研发计划、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室，以及北大-清华生命科学联合中心的资助。

实验室研究领域：

邓兴旺课题组以拟南芥、水稻等为研究对象，主要从事植物光信号转导、非编码RNA、植物杂种优势分子机理和分子设计育种领域的研究工作。本课题组目前有教授1人，副研究员4人，博士后、技术员和博士研究生多名，实验室建有配套齐全的植物基因组学、分子生物学、生物信息学等研究平台，具有长期的植物基因组学及分子生物学研究经验。实验室具体研究方向如下：
　　1. 植物光形态建成的分子机理
　　光是对于植物发育最重要也是最基本的生长信号。本实验室多年来以拟南芥为模式植物，通过遗传筛选获得了一系列光形态建成的抑制因子COP/DET/FUS。它们的突变体在暗中可以完成不同程度的光形态建成。多年的研究结果表明，这些因子在植物体内可以形成三个复合体并通过参与或调节泛素化途径来调控光信号传导。目前，在此基础上，我们将继续综合运用遗传学、生物化学、分子生物学、细胞生物学等实验手段，进一步解析光形态建成中的信号传导通路。
　　2. 植物非编码RNA功能分析
　　非编码RNA是直接以RNA形式行使生物学功能的核糖核酸群体的总称。本实验室通过独特的分离方式以及深度测序技术，在拟南芥和水稻全基因组中对50-300核苷酸长度的非编码RNA进行了注释，并结合分子生物学，生物化学及细胞生物学等手段，探讨：小核仁RNA在拟南芥生长发育中的作用机理；非编码RNA参与拟南芥光形态建成中的分子机理；由较长非编码RNA产生的小分子RNA在拟南芥及水稻发育调控中的作用机理。
　　3. 植物杂种优势形成的分子机理
　　杂种优势是自然界普遍存在的一种复杂生物学现象，在农业生产中得到了广泛的应用。但是，对于杂种优势形成的分子遗传机理迄今尚未阐述清楚。本实验室以水稻、玉米和拟南芥为研究对象，采用高通量测序技术，对具有不同优势程度的杂交组合进行全基因组基因差异表达分析，进一步分析造成这种差异表达的基于顺、反式调控的遗传机制，以及基于DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA的表观遗传机制。并通过整合杂种优势的经典遗传学假说，在分子水平上解析杂种优势形成的机理，为在农业生产上更好地应用杂种优势现象进行杂交育种提供理论指导。
　　4. 水稻功能基因组与分子设计育种
　　传统水稻育种依赖于育种家的经验，需要从大量的水稻杂交后代中挑选优良水稻株系，效率较低。随着基因组学与分子生物学技术的进步，在育种过程中对调控特定性状的基因位点进行跟踪成为了可能。我们通过利 用大量的水稻全基因组重测序信息，创制了水稻高密度单核苷酸多态性(SNP)芯片，并将其应用于水稻育种，从而使得水稻育种成为可以精确设计与控制的过程。我们创制的芯片及相应的设计流程大大提高了水稻育种效率，加快了培育高产、优质、多抗水稻品种的进程。