易基因｜植物育种：ChIP-seq(组蛋白)揭示H3K36me修饰影响温度诱导的植物可变剪接和开花

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2017年，荷兰瓦格宁根大学分子实验室RGH Immink团队以“Histone H3 lysine 36 methylation affects temperature-induced alternative splicing and flowering in plants”在《Genome Biology》杂志上发表研究文章，该研究通过染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）和转录组测序（RNA-seq）揭示了H3K36me修饰对高温诱导的拟南芥植物的可变剪接(Alternative splicing ,AS)和开花具有重要的调控作用。

标题：Histone H3 lysine 36 methylation affects temperature-induced alternative splicing and flowering in plants（H3K36me修饰影响温度诱导的拟南芥可变剪接和开花）

发表期刊：Genome Biology

发表日期：2017年06月 01日

影响因子：17.906

技术：染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）和RNA-seq

样品：

背景和意义：

全球变暖严重影响植物的开花时间和繁殖成功率。mRNA前体的可变剪接(AS)是植物环境温度控制反应的重要机制，但对其调控知之甚少。温度升高通过改变关键调控基因的剪接促进了拟南芥植物形态的变化以及从营养阶段向生殖阶段的转变。

本研究发现组蛋白标记H3K36me3在剪接调节和植物对环境温度波动的可塑性中发挥了关键作用，为培育能够更好地应对气候变化引起的环境变化的作物开辟了新的前景。

实验设计：

研究结果

（1）温度诱导的差异剪接事件的鉴定

环境温度的变化会触发许多关键调控基因（包括各种开花时间调节因子）剪接的快速而稳定的变化。

 图1：温度诱导的差异剪接（DiS）事件动态

1. 不同条件下获得显著DiS事件的拼接百分比（PSI）热图。
2. 检测到开花时间调节因子FLM(FLOWERING LOCUS M)和MAF2(MADS AFFECTING FLOWERING 2)，及富含精氨酸/丝氨酸的温度调节剪接因子RS40(RICH SPLICING FACTOR 40)的DiS事件部分基因模型，以及RNA-seq结果相应绘图区域。
3. 温度变化一天后DiS与完全差异表达基因（DEG）之间的重叠Venn图。

（2）DiS基因在H3K36me3修饰中富集

在DiS基因中观察到H3K36me3组蛋白标记过表达，且在温度升高后观察到标记沉积变化，表明该标记在调节环境温度诱导的可变剪接（AS）中发挥了作用。

图2：温度诱导的DiS基因在H3K36me3中富集

1. 不同类别的基因，H3K36me3在不同类别基因的转录起始位点（TSS）和转录终止位点（TTS）周围分布。
2. 具有温度诱导的DiS事件的目标基因H3K36me3图谱

（3）H3K36me3促进调节温度诱导的DiS事件

H3K36me3在拟南芥中调节温度诱导的AS中发挥作用。

图3：H3K36me3促进调节温度诱导的可变剪接

1. WT中鉴定的显著DiS事件在16℃和25℃（ΔPSI）之间的PSI差异分布以及sdg8-2和sdg26-1中的相应ΔPSI分布。
2. 在WT 16℃和25℃的比较中，对于显著的DiS事件，WT、sdg8-2和sdg26-1的绝对ΔPSI的经验累积分布函数（ecdf）图。根据Kolmogorov-Smirnov检验，WT和sdg8-2或sdg26-1之间的ΔPSI分布明显不同。
3. DiS事件的两个实例的部分基因模型和RNA-seq结果的相应绘图区域。

（4）H3K36me3蛋白 writers、erasers和readers的突变影响高温诱导的开花

H3K36me3 writers、erasers和readers中的突变会影响植物对环境温度变化的反应，表明该组蛋白修饰在对该环境线索的可塑性中发挥了作用。

图4：H3K36me3 writers、erasers和readers的突变影响温度诱导的开花

1. 根据拟南芥中的适配器复合体模型，H3K36me3调节和剪接的卡通图。H3K36me3修饰的组蛋白通过与剪接调节因子（SRs）如PTB互作的适配器（如MRG1和MRG2）相结合。剪接调节因子在促进或预防AS中起着重要作用。
2. WT、sdg8-2和sdg26-1植物在16℃下持续生长或五周后移到25°C的开花时间。
3. WT、jmj30-1和jmj30-OE植物的开花时间如（b）所示。JMJ30丢失增加了对温度诱导开花的反应，而JMJ30活性增加则相反。
4. WT、mrg1-1和mrg2-3植物的开花时间如（b）所示。mrg1-1和mrg2-3植物对温度的响应较小。

结论：

mRNA前体的可变剪接（AS）是产生蛋白质多样性或调节转录异构体丰度的关键机制，包括转录组中的快速变化。在温度传感中，AS代表了一种在植物发育中赋予可塑性的快速而灵活的方法。剪接的共转录性质为剪接和染色质状态之间的交叉调控提供了可能。在哺乳动物中，组蛋白修饰有助于调节剪接。本研究展示了组蛋白修饰在植物AS调节中的直接作用。揭示了H3K36me3在拟南芥中控制温度诱导的AS和温度依赖性开花时间调控的关键作用。

除关键调节基因的AS赋予可塑性之外，由于对环境条件变化的快速和可逆反应，本研究关于H3K36me3在这一过程中的作用发现为温度诱导的AS记忆开辟了有趣的前景。可以预测温度变化通过H3K36me3沉积而在染色质状态中被记忆，从而导致特定的剪接模式，使植株在生命周期中记忆环境条件并适应气候快速变化。

关于植物染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）

染色质免疫共沉淀（Chromatin Immunoprecipitation,ChIP），是研究体内蛋白质与DNA相互作用的经典方法。将ChIP与高通量测序技术相结合的ChIP-Seq技术，可在全基因组范围对特定蛋白的DNA结合位点进行高效而准确的筛选与鉴定，为研究的深入开展打下基础。

DNA与蛋白质的相互作用与基因的转录、染色质的空间构型和构象密切相关。运用组蛋白特定修饰的特异性抗体或DNA结合蛋白或转录因子特异性抗体富集与其结合的DNA片段，并进行纯化和文库构建，然后进行高通量测序，通过将获得的数据与参考基因组精确比对，研究人员可获得全基因组范围内某种修饰类型的特定组蛋白或转录因子与基因组DNA序列之间的关系，也可对多个样品进行差异比较。

应用方向：

ChIP 用来在空间上和时间上不同蛋白沿基因或基因组定位

• 转录因子和辅因子结合作用
• 复制因子和 DNA 修复蛋白
• 组蛋白修饰和变异组蛋白

技术优势：

• 物种范围广：花、叶片、胚乳等多种组织富集经验；
• 微量建库：只需5ng以上免疫沉淀后的DNA，即可展开测序分析；
• 方案灵活：根据不同的项目需求，选择不同的组蛋白修饰特异性抗体。

有ChIP-seq测序或其他表观组学测序需求的老师可与易基因联系

参考文献：Pajoro A, Severing E, Angenent GC, Immink RGH. Histone H3 lysine 36 methylation affects temperature-induced alternative splicing and flowering in plants. Genome Biol. 2017 Jun 1;18(1):102.

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