近日，华中农业大学李兴旺教授和李国亮教授领导的作物三维基因组学创新团队在Cell Reports发表了题为“Haplotype mapping of H3K27me3-associated chromatin interactions defines topological regulation of gene silencing in rice”的研究论文。作者系统分析了水稻基因组中的沉默子和超级沉默子等调控元件，揭示了沉默子等调控元件可以通过与距离较远的功能基因发生远程染色质互作从而调控远端功能基因的转录沉默。通过绘制水稻杂种单倍型分辨率的三维基因组图谱，发现水稻杂种中存在大量等位基因特异性染色质互作，很多沉默子参与的等位基因特异性染色质互作可以调控等位基因特异表达。这些结果丰富了我们对水稻的顺式调控元件的功能和基因转录调控的分子网的理解，通过建立“顺式调控元件-基因组三维结构-基因转录-作物表型”调控模型，从非编码调控序列和三维基因组学的角度为作物的分子设计育种提供了新的思路和途径。
真核生物的一维线性基因组中包含大量的非编码序列，其中很多非编码序列被鉴定为增强子、沉默子/抑制子、绝缘子和启动子等不同的DNA顺式调控元件，对基因的转录具有重要调控功能。一维线性基因组中分布的DNA顺式调控元件可以通过与距离较远的功能基因发生染色质远程互作，在基因组三维空间上形成染色质环，从而调控远端功能基因的转录活性。因此，系统鉴定基因组中的调控元件并分析其参与的三维基因组远程互作，对探究非编码序列和基因的转录调控和生物学功能具有重要意义。
在前期的研究中，作物三维基因组学创新团队建立了高效的植物染色质免疫沉淀测序（eChIP-seq）和单细胞核CUT&Tag等方法（Zhao et al, 2020, Nat Commun; Ouyang et al., 2022, Plant Biotech J），利用高效的ChIP-seq方法，表征了水稻等作物的一维染色质特征，系统鉴定了水稻等作物基因组中的启动子和增强子类启动子等顺式调控元件，绘制了水稻、油菜和玉米等作物的高质量参考表观基因组（Zhao et al, 2020, Nat Commun; Sun et al., 2020, Genome Biol; Zhang et al., 2021, Mol Plant），并参照人类DNA元件百科全书ENCODE计划，构建了水稻DNA元件百科全书数据库RiceENCODE。这些工作为我们解析和理解非编码调控序列的功能提供了重要的参考。
在eChIP-seq的基础上，该团队进一步在植物中建立了三维基因组学研究工具long-read ChIA-PET，系统研究了水稻和玉米等作物的三维基因组结构，揭示了DNA顺式调控元件通过染色质远程互作形成染色质环，从而调控远端功能基因转录，进而调控作物表型性状的分子调控网络和三维基因组拓扑调控模型（Zhao et al., 2019, Nat Commun; Peng et al., 2019, Nat Commun; Sun et al., 2020, Genome Biol）。进一步地，结合时间的维度，通过分析白天和夜晚不同时间点的三维基因组结构的动态变化，绘制了水稻四维基因组图谱，揭示了morning loop gene和evening loop gene在三维基因组空间上形成不同的染色质空间互作基因簇，通过染色质远程互作从而动态共表达的分子调控模型（Deng et al., 2022, Genome Biol）。此外，通过建立RNA-DNA互作捕获技术，在水稻中鉴定了大量的启动子参与的RNA-DNA互作，暗示RNA可能通过染色质互作从而调控靶基因的转录发挥功能（Xiao et al., 2022, Nat Plants）。
在本研究中，作者利用eChIP-seq和long-read ChIA-PETs数据，参考动物细胞中超级增强子和超级沉默子的鉴定方法，以组蛋白修饰H3K27me3为标记，首次在水稻基因组中系统鉴定了沉默子和超级沉默子类调控元件。发现沉默子类元件附近基因的表达水平显著低于没有沉默子修饰的基因的表达水平，表明预测的沉默子类元件具有基因转录抑制功能。进一步地，随机挑选18个沉默子类元件，在烟草中通过双荧光素酶报告系统验证发现，其中约72%（13个）的候选沉默子具有转录抑制功能，表明这些H3K27me3修饰的DNA可能作为沉默子发挥功能。
结合H3K27me3的ChIA-PET三维基因组数据发现，沉默子类元件可以通过与远端的功能基因发生互作形成染色质环，从而抑制远端功能基因的表达。在沉默子缺失的自然突变体或T-DNA插入突变体中，沉默子类元件的缺失会引起与其互作的远端功能基因的转录上调，进一步验证了沉默子元件的转录抑制功能。以水稻中已经报道的FZP基因和Eui1基因区域的沉默子为例，证明这些沉默子可能通过染色质环调控靶基因的转录。以上结果表明H3K27me3修饰的染色质具有抑制基因转录的功能，并且作为沉默子和超级沉默子元件，通过染色质环远距离调控功能基因的转录。
图：沉默子元件通过染色质环调控远端基因沉默。沉默子缺失突变体中，染色质环消失，远端的looping gene转录上调。
利用优良杂交稻汕优63的ChIA-PET数据，根据汕优63亲本之间的SNP信息，作者构建了水稻杂种单倍型分辨率的三维基因组图谱，鉴定了杂种中存在大量的等位基因特异性互作。结合等位基因特异表达信息，发现等位基因特异性染色质互作调控了等位基因特异性沉默。例如OsMaT-2基因可以与远端的一个沉默子发生远程互作，在珍汕97的等位基因组中，该沉默子因自然变异而缺失，导致来源于珍汕97等位基因组的OsMaT-2基因的表达活性上升，而来源于明恢63等位基因组的OsMaT-2基因受沉默子-启动子染色质环的调控导致转录抑制，最终引起该等位基因偏向母本基因组特异表达。
综上，沉默子等DNA调控元件可以与相关的功能基因的启动子在三维空间上相互靠近形成染色质环，进而调控相关功能基因的转录从而调控植株相关性状和表型。
作物三维基因组学创新团队博士后欧阳维枝和已毕业硕士研究生张希雯为该论文的共同第一作者，李兴旺教授和李国亮教授为共同通讯作者。该研究得到了中国自然科学基金、华中农业大学交叉科学研究院和洪山实验室相关基金、湖北省重点研发计划基金、华中农业大学-中国农业科学院深圳农业基因组研究所合作基金、中国博士后基金以及生命科学技术学院“百川计划”等项目资助。
李兴旺教授领衔的作物三维基因组学创新团队聚焦于三维基因组学研究技术和分析技术的开发、顺式调控元件和反式作用因子的全基因组鉴定、三维基因组结构以及顺式调控元件参与的染色质远程互作在基因转录调控以及作物开花调控和昼夜节律调控中的重要功能等研究方向，在作物一维线性基因组及DNA顺式调控元件和三维基因组结构等领域取得了一系列进展，近五年以通讯作者（含共同）在Nature Plants、Genome Biology (2篇)、Nature Communications (3篇)、Molecular Plant (3篇)、Cell Reports、Plant Biotechnology Journal和Trends in Plant Science等杂志发表论文14篇。
原文链接：DOI: 10.1016/j.celrep.2023.112350
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