我院博士生建立sea-ATI鉴定拟南芥/巨菌草顺式元件组

  发布时间: 2023-10-20   信息员:

背景介绍

植物组织基因表达受多种内外源因素调控。转录调控是基因表达水平的重要影响因素。转录因子(transcription factorsTFs)可结合DNA上的顺式作用元件(cis-regulatory elementsCREs)序列,调节基因表达水平。顺式作用元件可分为启动子、增强子、沉默子等。组织中所有当前被转录因子结合的顺式作用元件——顺式作用元件组(cistrome)决定该组织的基因转录及细胞命运(1)。植物中的顺式作用元件具有高度的多样性和复杂性,目前对其定位、功能和演化的认识仍有待深入。现有植物顺式作用元件组鉴定方法的局限性在于:DAP-seqChIP-seq等方法一次仅可研究单个转录因子;ATAC-seqDNase-seqSTARR-seq等方法难以鉴定非激活型顺式作用元件,且此类鉴定方法基于顺式作用元件组的生理功能,而非其结合转录因子的生化活性。


论文概要

近日,题为“Sea-ATI unravels novel vocabularies of plant active cistrome”的研究论文在《核酸研究》(Nucleic Acids Research)杂志上在线发表。研究人员开发了新方法级联抽提辅助-活性转录因子鉴定(sequential extraction assisted-active transcription factor identificationsea-ATI)。该方法采用盐浓度分级抽提的方式,从目标植物组织中高效提取核蛋白,将其与随机DNA文库孵育,富集与核内转录因子互作的DNA序列。构建的DNA文库经高通量测序与生物信息学分析,可揭示完整的生化活性植物顺式作用元件组(plant active cistrome),系统阐明目标植物组织中活性顺式作用元件的组成和特征。该方法鉴定的顺式作用元件组较为完整,既包含染色质开放区域与高表达基因启动子区域的激活型顺式作用元件,也包含染色质封闭区域与沉默基因启动子区域的抑制型顺式作用元件。

  

  

  


结果分析与阐述

研究人员利用sea-ATI技术测定了七种植物组织的顺式作用元件组,包括双子叶模式植物拟南芥根、叶、茎、果实、愈伤组织、PSB-D悬浮细胞系。同时,sea-ATI也成功应用于单子叶植物,系统测定了蒺藜草属C4植物巨菌草(Cenchrus fungigraminus)幼芽的顺式作用元件组。巨菌草具有多种优良性状(高光合、根系发达、高大速生、高抗逆性、高经济价值、内生固氮),为3344登入口菌草国家工程技术中心选育出的优良饲草、能源草、生态草,也是菌草技术目前推广面积最大,经济效益最佳的草种。

所得sea-ATI文库经测序分析,共de novo鉴定出41个高生化活性的顺式作用元件基序模型(motif models),其中15个基序在PlantPAN(2), PlantTFDB(3)等综合性植物转录因子数据库中均未收录,对应于未知转录因子的识别模型,代表着植物顺式作用调控的新语法。本工作进一步对鉴定到的顺式作用新元件进行了功能验证。Tn5足迹分析表明鉴定到的顺式作用元件上有转录因子结合。与转录组的联合分析,以及双荧光素酶报道实验表明鉴定到的顺式作用元件具有转录调控活性。同时,本研究鉴定到的4个未知顺式作用元件模型与另一项正在进行的研究工作中的 ALOG家族转录因子的识别模型高度相似(4),有效证明了sea-ATI方法可系统鉴定对应于所有已知与未知转录因子的、具有生理生化功能的顺式作用元件。

此外,研究人员也比较了sea-ATIDAP-seq文库中的WRKY二聚体顺式作用元件特征,分析表明WRKY二聚体顺式作用元件的进化受到了热力学选择和遗传漂变的共同作用。


讨论,启发与展望

本研究为系统鉴定植物组织生化活性顺式作用元件组提供了有效工具。同时,本研究提供了大量先前未报导的活性顺式作用元件模型,为注释植物非编码基因组功能元件、理解植物转录调控语法提供了重要线索。促进了植物生理生化机制的深入理解,也可为育种提供候选靶标。

起源于3344登入口,由林占禧研究员开发的菌草技术,为国际贫困地区的生态治理与经济发展提供了中国方案。习近平总书记向菌草国际合作论坛致贺信指出,应深入发展菌草事业,使菌草成为造福广大发展中国家人民的“幸福草”。本研究鉴定了主推品种巨菌草全基因组范围的活性顺式作用元件,为开展基因编辑,推动菌草种质创新提供了高活性非编码基因组功能位点。


原文链接

academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkad853/7321063?login=true


3344登入口博士生温陈金、已毕业硕士生袁振和硕士生张笑天为该论文的共同第一作者,3344登入口朱方捷教授、林俊城副教授和吕培涛教授为共同通讯作者。该研究获得国家自然科学基金、福建省自然科学基金、福建省重大专项、3344登入口启动经费等基金资助。


Refrence

1. Schmitz,R.J., Grotewold,E. and Stam,M. (2021) Cis-regulatory sequences in plants: Their importance, discovery, and future challenges. Plant Cell, 34, 718–741.

2. Chow,C., Lee,T., Hung,Y., Li,G., KuanChieh,T., Liu,Y., Kuo,P., Zheng,H. and Chang,W. (2018) PlantPAN3.0: a new and updated resource for reconstructing transcriptional regulatory networks from ChIP-seq experiments in plants. Nucleic Acids Res., 47, D1155–D1163.

3. Jin,J., Tian,F., Yang,D., Meng,Y., Kong,L., Luo,J. and Gao,G. (2017) PlantTFDB 4.0: toward a central hub for transcription factors and regulatory interactions in plants. Nucleic Acids Res., 45, D1040–D1045.

4. Rieu,P., Beretta,V., Caselli,F., Thévénon,E., Lucas,J., Rizk,M., Franchini,E., Caporali,E., Nanao,M., Kater,M., et al. (2023) The ALOG domain defines a new family of plant-specific transcription factors acting during Arabidopsis flower development (Preprint). DOI: 10.1101/2023.06.21.545689.