啟動(dòng)子在動(dòng)植物的轉(zhuǎn)錄調(diào)控中發(fā)揮了重要的作用。在哺乳動(dòng)物中，啟動(dòng)子可以與增強(qiáng)子等順式元件遠(yuǎn)距離互作，激活下游基因的轉(zhuǎn)錄。研究表明，H3K27ac 是哺乳動(dòng)物增強(qiáng)子的表觀標(biāo)記，這個(gè)特點(diǎn)可以用于在全基因組范圍內(nèi)尋找和鑒定增強(qiáng)子。然而，在擬南芥中，由于缺少特定的組蛋白修飾標(biāo)記、緊密的基因組以及實(shí)驗(yàn)技術(shù)的限制，啟動(dòng)子和增強(qiáng)子的互作調(diào)控解析具有很大的挑戰(zhàn)性。
2024年12月31日，北京大學(xué)蛋白質(zhì)與植物基因研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院、北京大學(xué)-清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心周岳課題組在Genome Biology上發(fā)表了題為“Promoter capture Hi-C identifies promoter-related loops and fountain structures in Arabidopsis”的研究論文，在擬南芥中首次使用啟動(dòng)子捕獲Hi-C（promoter capture Hi-C, PCHi-C）技術(shù)，揭示了啟動(dòng)子空間調(diào)控模式并解析啟動(dòng)子相關(guān)“噴泉”結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制。
首先，本研究通過(guò)PCHi-C技術(shù)鑒定了擬南芥中的啟動(dòng)子相關(guān)的染色質(zhì)環(huán)。結(jié)果表明基因體（gene body）、近端啟動(dòng)子(proximal promoter)和基因間區(qū)(intergenic region)可以與啟動(dòng)子之間形成染色質(zhì)環(huán)，并作為遠(yuǎn)端調(diào)控元件或增強(qiáng)子發(fā)揮作用。啟動(dòng)子相關(guān)的染色質(zhì)環(huán)在轉(zhuǎn)錄調(diào)控中傾向于抑制基因轉(zhuǎn)錄，并與有序的染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)相關(guān)。除本實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)鑒定到的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)域（TAD）外（Yin et al., 2023），本研究鑒定到了在植物中沒(méi)有被系統(tǒng)研究過(guò)的噴泉結(jié)構(gòu)（fountain structures）與啟動(dòng)子相關(guān)染色質(zhì)環(huán)緊密相關(guān)。在形成機(jī)制上，本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)cohesin可以結(jié)合到噴泉結(jié)構(gòu)的中心并參與噴泉結(jié)構(gòu)的形成。此外，噴泉結(jié)構(gòu)的染色質(zhì)相互作用強(qiáng)度與啟動(dòng)子相關(guān)染色質(zhì)環(huán)的數(shù)量呈正相關(guān)，而這些染色質(zhì)環(huán)的維持與H3K4me3修飾水平有關(guān)。在擬南芥H3K4me3的甲基轉(zhuǎn)移酶突變體（atxr3）中，噴泉內(nèi)部啟動(dòng)子相關(guān)染色質(zhì)環(huán)的數(shù)量減少，導(dǎo)致噴泉結(jié)構(gòu)調(diào)控的基因表達(dá)上調(diào)。
綜上所述，本研究在擬南芥全基因組范圍內(nèi)鑒定了啟動(dòng)子相關(guān)染色質(zhì)環(huán)，并且發(fā)現(xiàn)這些染色質(zhì)環(huán)對(duì)基因表達(dá)發(fā)揮負(fù)調(diào)控作用。同時(shí)，這些染色質(zhì)環(huán)與其他染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，并參與“噴泉”結(jié)構(gòu)維持，而該結(jié)構(gòu)的形成依賴(lài)于cohesin（圖1）。PCHi-C在擬南芥當(dāng)中的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，對(duì)在大基因組作物中尋找啟動(dòng)子遠(yuǎn)程互作元件以及解析啟動(dòng)子調(diào)控模式具有重要意義。
圖1：?jiǎn)?dòng)子相關(guān)染色質(zhì)環(huán)調(diào)控模型。A.啟動(dòng)子相關(guān)環(huán)與TAD結(jié)構(gòu)和噴泉結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。B.噴泉結(jié)構(gòu)的形成和維持分別與cohesin和H3K4me3修飾相關(guān)。C.啟動(dòng)子相關(guān)環(huán)和基因表達(dá)負(fù)相關(guān)。
北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院博士生王鼎岳、現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院博士生肖蘇芯和前沿交叉學(xué)科研究院博士生舒家悅為本文的共同第一作者。北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院博士生駱凌瀟和楊敏琪同樣參與了工作。西班牙植物生物化學(xué)和光合作用研究所Myriam Calonje研究員、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院何航研究員和北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院宋寶興研究員也為本工作做出了重要貢獻(xiàn)。北京大學(xué)蛋白質(zhì)與植物基因研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心周岳研究員為該工作的通訊作者。該研究得到科技創(chuàng)新2030-重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青年交叉團(tuán)隊(duì)、蛋白質(zhì)與植物基因研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院、北京大學(xué)-清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心的資助。
歡迎致力于從事植物表觀遺傳學(xué)研究的同學(xué)報(bào)名CLS和PTN項(xiàng)目或北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院，加入我們課題組！