随着ATAC-seq被开发为一种可靠的工具，其操作简便，需要的初始细胞核更少，已被用于分析多种植物和不同细胞类型的可及性染色质区域(ACRs)。其应用于高粱基因组的分析及生物学研究则较少，年12月30日发表在PlantCommunications上的Accessiblechromatinregionsandtheirfunctionalinterrelationswithgenetranscriptionandepigeneticmodificationsinsorghumgenome填补了这一领域。
基因表达的调控依赖于被募集到ACR以影响周围核小体的表观基因组修饰的转录共调节因子。在该项研究中，研究者利用ATAC-seq来鉴别ACRs并破译ACRs的存在如何影响高粱基因组中的基因表达和表观遗传特征。结果，共确定了个ACRs，它们定位到22.9%的基因和2.7%的重复序列上。基因结构上的ACRs分析显示其在转录起始位点（TSS）周围有一个狭窄而尖锐的峰，基因本体则为弱且宽的信号，从转录终止位点（TES）到其下游区域有一个明确但宽的峰。作者发现基因表达水平和ACRs密度之间的相关性取决于ACRs的位置。基因区ACRs的出现累积增强了基因间区ACRs相关基因的转录活性。此外，通过整合WGBS、6mA-IPseq、RNA-seq、ChIP-seq和DNase-seq的多组学数据集，揭示了ACRs、基因表达和表观遗传标记之间复杂的关系。总之，该项研究提供了高粱中ACRs的全基因组景观，解密了它们与各种表观遗传标记的相互关系，并揭示了它们在转录调控中的作用。
1、高粱基因组中的ACRs的鉴定
对高粱栽培品种BTx的地上部分组织包括幼叶和茎进行ATAC-seq以鉴定高粱基因组中的ACRs。结果，共确定了个ACRs，且往往在常染色质区域富集（图1A）。接下来对来自同一高粱组织的全基因组H3K27me3（常染色质标记）数据集和5mC（异染色质标记）数据集的比较分析，发现5mC的累积分布显著接近异染色质和着丝粒周围区域，而H3K27me3的峰主要在染色体远端的常染色质区域中检测到（图1A）。
具体而言，ACRs发生在22.9%的基因和2.7%的重复序列中（图1B）。ACRs位于启动子、基因间区和5’UTR区域的比例远高于基因本体中的其他区域（图1B）。
ACRs的密度图显示，基因编码区的ACRs分布不均匀：虽然只有微弱的信号覆盖了整个基因体，但在TSS周围出现了一个狭窄而尖锐的峰，从转录终止位点(TTS)到其下游区域则是出现了一条明显但宽的峰（图1C），这与观察结果一致，即只有3.9%的ACRs发生在3’UTR（图1B）。
图1ACRs在高粱全基因组上的分布
2、ACRs参与调控高粱基因转录
为了弄清ACRs在高粱基因转录调控中的机制，获取了同一年龄高粱地上组织的一组3个重复转录组数据。结果表明，与表现出较弱的表达水平（后20%）非活性基因相比，表现出较高表达水平（前20%）的活性基因在TSS处表现出典型的ACRs尖峰，但在TTS区域没有明显的峰值（图2A）。这些结果表明基因TSS上ACRs的积累有助于正向控制高粱中的基因转录。
接下来，对ACRs进行分类。当ACRs与附近注释基因重叠至少1bp时，(44.81%)个ACRs被指定为gACRs，而(55.19%)个被指定为基因间区域(iACRs)，因为它们与附近基因至少间隔1bp（图2B）。对于iACRs，显示与最近基因的距离超过2kb的总数为（31.58%）个被指定为dACRs，显示距离小于2kb的（23.61%）个被指定为pACRs（图2B）。
接着将基因分成4类，1）仅与gACRs有关的基因；2）只与iACRs有关的基因；3）与gACRs和iACRs有关的基因；4）没有ACRs的基因，试图阐明基因表达水平与不同类型ACRs的相关性。结果表明，只有gACRs或只有iACRs的基因的中值及平均表达水平显著高于没有ACRs的基因（图2C）。最重要的是，仅以gACRs为特征的基因与有那些有gACRs和iACRs(igACRs)没有显着差异，但表达水平显着高于仅有iACRs的基因（图2C）。
总的来说，该分析认为存在于基因体或基因间区域的ACRs对转录活性有显着影响。与iACRs相比，gACRs在基因的表达调控中起主导作用，这意味着ACRs的转录调控也与其自身的位置状态相关。
图2ACRs与基因转录调控相关
3、ACRs和DNA胞嘧啶甲基化的关系
已在拟南芥和其他植物中研究了DNA胞嘧啶甲基化(5mC)与ACRs的相互关系，特别表明TSS周围的ACRs避免5mC。为了剖析高粱中ACRs对转录区域内（从TSS上游2kb到TTS下游2kb）胞嘧啶甲基化的影响，检查了不同类别ACRs注释基因的DNA甲基化水平。注意到基因体内具有ACRs(ACR+)的基因中CG的甲基化水平高于没有ACRs(ACR)的基因，而CHH甲基化在转录区域的侧翼增加（图3A）。相比之下，有或没有ACRs的基因的CHG甲基化不存在明显差异（图3A）。事实上，在gACRs、iACRs和igACRs中观察到更高水平的基因体CG甲基化和侧翼CHH甲基化（图3B）。总的来说，虽然ACRs本身避免被甲基化，但它的存在可能为共调节因子的募集提供可及的空间，以促进其相关基因区域的DNA甲基化。
据说基因体CG甲基化与活跃的基因转录相关。本研究显示，具有最高表达的四分位数基因在基因体中显示出最高水平的CG甲基化（图3C），并且较高的CG甲基化与转录区域内较高的基因表达水平相关。此外，侧翼区域具有高CHH甲基化的基因与有显著更高表达水平的基因耦合（图3C）。
为了确定由CG和CHH甲基化标记的ACRs对控制基因表达的影响是否存在位置效应，研究者检查了CG甲基化靶向的gACRs和iACRs相关基因的转录水平，发现与非CG甲基化对照相比，它们都有较高的mRNA水平上的积累。此外，在基因体内的CG甲基化后，gACRs易于促进这些iACRs特征基因的表达（图3D）。相比之下，在基因侧翼区域的CHH甲基化后，iACRs将促进这些gACRs特征基因的表达（图3E）。这些分析提供的线索表明，基因体CG和侧翼转录区CHH甲基化对基因表达的调控作用可能依赖于ACRs的位置效应。
图3ACRs和DNA胞嘧啶甲基化的关系
4、DNAN6-甲基腺嘌呤影响ACRs
为了探索6mA和ACRs的潜在相互作用，对同一阶段叶子进行采样并进行6mA-IP-seq以进行比较分析。首先，在6mA-IP-seq的四次重复中鉴定了、、和个峰。大约25.8%的注释基因和5.7%的重复序列被6mA标记（图4A），6mA最常出现在GAGG基序（图4B）。启动子和基因间区的6mA水平高于基因体（图4A），在TSS处不存在，但在TTS处急剧增加（图4C）。结果还表明基因体中的6mA与基因表达活性相关（图4D）。
图4高粱中6mA的表征
然后，对ACRs如何以及在多大程度上影响6mA富集的研究发现，6mA的存在归因于gACRs（图5A）和iACRs（图5B）的更高密度。接下来，研究了不同位置的ACRs如何与6mA的富集相关。有趣的是，作者发现与其他类型相比，iACRs相关基因的TTS中6mA的富集程度明显更高（图5C）。相比之下，无论是否存在任何类型的ACRs，在TSS或基因体中的6mA富集都没有差异（图5C）。然而，事实证明，6mA和所有类型的ACRs的联合作用都显著促进了基因表达，而不同的ACRs可能有不同程度的贡献（图5D）。
图5DNAN6-甲基腺嘌呤影响ACRs相关基因表达调控
5、ACRs和染色质特征之间的关系
为了研究与高粱基因组中ACRs相关的染色质表观基因组特征，作者将自己的ATAC-seq数据与已发表的数据进行了整合，包括DNase-seq、ChIPseq（H2A.Z、H3K4me1、H3K4me3、H3K27me3、H3K36me3和H3K56ac)和RNA-seq。热图再次支持从ATAC-seq调用的ACRs与从高粱中已发表的DNase-seq中识别的那些高度一致（图6A）。同时，H3K4me1几乎不存在于高粱中富含任何类型ACRs的这些区域（图6A）。作为众所周知的活性基因标记，H3K4me3和H3K56ac在转录位点富集，而H3K36me3则出现在基因体中（图6A）。总之，这些组蛋白共价修饰，其中大部分是植物物种中保守的活性标记，在控制基因表达方面更倾向于与ACRs正相关。
相比之下，与各种ACRs相关的非活性基因的特征是H3K27me3和组蛋白变体H2A.Z（图6A）。gACRs相关基因的表达分析表明H3K27me3在抑制基因活动中起主要作用（图6B）。一致地，基因本体（GO）分析认为，这些以H3K27me3和H2A.Z为特征的gACRs相关基因在抗氧化活性、转录调节活性和催化过程等类别中富集（P0.01），并且这些基因仅具有H3K27me3，也参与了代谢过程（图6C）；仅以H2A.Z为特征的gACRs相关基因则没有显着的GO富集（图6C）。总之，该分析支持H3K27me3可能在ACRs相关基因转录调控过程中充当主要的非活性表观遗传标记。
图6ACRs和染色质特征之间的相互关系
1、本文旨在揭示高粱基因组中的ACRs分布，解析ACRs对基因表达的影响及其和表观遗传修饰的关系。并不涉及某一发育过程或某一处理之后引起的变化，为我们展示了如何利用一个样本的多组学数据去研究生物学问题。
2、和野生大豆的OCRs的研究类似，本文作者也是将ACRs分成了基因gACRs和基因间区iACRs，发现不同的ACRs对基因表达有不同的影响。不同的是，高粱中igACRs的基因表达与仅以gACRs为特征的基因没有显着差异，这点与大豆有dOCRs和pOCRs的基因比仅有dOCRs和pOCRs的基因表达量更高不同。
3、本文还将胞嘧啶的腺嘌呤的甲基化结果与ACRs也做了关联分析，发现基因体CG和侧翼转录区CHH甲基化对基因表达的调控作用可能依赖于ACRs的位置效应，同时6mA和所有类型的ACRs的联合作用都显著促进了基因表达，而不同的ACRs可能有不同程度的贡献。
爱基百客产品目录：
实验我们专业的，服务我们杠杠的，各种疑难样本的表观技术一网打尽！
预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇