Китайские исследователи разработали технологию, которая помогает понять, как трёхмерная (3D) организация генома растений влияет на экспрессию генов, особенно в процессе фотосинтеза.
Исследование
Исследование под руководством профессора Сяо Цзюня из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук в сотрудничестве с BGI Research опубликовано в журнале Science Advances.
Инновационный метод не только предоставляет более точный инструмент для понимания сложных 3D-взаимодействий между генами, но и подчёркивает ключевую роль взаимодействий хроматина на больших расстояниях в регуляции генов.
Хроматин в ядрах растений
В ядрах растений хроматин — комбинация ДНК и белков — не расположен хаотично. Вместо этого он образует тщательно организованную 3D-структуру, которая играет жизненно важную роль в регуляции биологических процессов.
Хотя учёные выявили множество регуляторных элементов, участвующих в ключевых агрономических признаках, существующие инструменты, такие как Hi-C, ChIA-PET, HiChIP и OCEAN-C, не могут эффективно и экономично фиксировать активные взаимодействия хроматина с высоким разрешением. Более того, механизмы формирования и поддержания этих структур, а также их влияние на экспрессию генов в значительной степени оставались неясными.
Новая технология
Чтобы преодолеть эти ограничения, исследователи интегрировали ATAC-seq, который обнаруживает открытые (активные) области хроматина, с Hi-C, который отображает взаимодействия хроматина по всему геному.
Полученная технология, называемая Transposase-Accessible Chromosome Conformation Capture (TAC-C), позволяет целенаправленно фиксировать взаимодействия в доступных областях хроматина, обеспечивая улучшенное разрешение и эффективность при меньших глубинах секвенирования по сравнению с традиционными методами.
Исследователи использовали TAC-C для успешного создания высококачественных 3D-карт взаимодействий хроматина для четырёх основных сельскохозяйственных культур, продемонстрировав надёжность инструмента.
Результаты
Их анализ показал, что геномные регионы, выступающие в качестве узлов взаимодействия, связаны с более высокой экспрессией генов и уменьшенной вариацией последовательностей, что указывает на их важность в качестве регуляторных элементов. Эти регионы-«якоря» хроматина также значительно обогащены количественными локусами признаков (QTLs) и экспрессионными QTLs (eQTLs), что убедительно доказывает, что 3D-взаимодействия хроматина соединяют удалённые регуляторные элементы с их целевыми генами, тем самым способствуя фенотипической изменчивости.
В гексаплоидной пшенице исследователи наблюдали асимметричные взаимодействия хроматина между субгеномами A, B и D, обусловленные вставками мобильных элементов и вариациями последовательностей в якорных регионах. Эта асимметрия привела к смещённой экспрессии гомологичных генов в субгеномах.
Механизмы регуляции хроматина у растений
В отличие от животных, где формирование петель хроматина регулируется комплексом CTCF/когезин, механизмы, управляющие архитектурой хроматина у растений, были недостаточно изучены.
В этом исследовании исследователи обнаружили концентрацию сайтов связывания для семейств факторов транскрипции (TF) SBP, MYB, Dof, ERF и GATA в якорных точках взаимодействия хроматина. Среди них хроматиновые петли, обогащённые мотивами связывания SBP, показали более сильные взаимодействия и были расположены в функционально активных регионах.
Дальнейший анализ мутантов, лишённых TF SBP TaSPL7 и TaSPL15, выявил потерю хроматиновых петель, связанных с несколькими генами, связанными с фотосинтезом, включая TaCKX11-B, TaSGR-5D, TaNRR-A1 и TaTK-2D. Это привело к изменению экспрессии генов и повлияло на развитие листьев и эффективность фотосинтеза.
Факторы транскрипции SBP специфичны для растений и играют важную роль в развитии листьев, цветов, корней и плодов, а также в переходе между вегетативным и репродуктивным ростом. Это исследование показывает, что изменения в 3D-архитектуре хроматина, опосредованные SPL, могут быть вовлечены в регуляцию развития растений.
В заключение, это исследование демонстрирует, как растительные TF регулируют гены, связанные с фотосинтезом, через 3D-организацию генома. Оно также показывает, как новая технология TAC-C открывает путь к более глубокому пониманию долгосрочной генетической регуляции у растений и может направлять будущие усилия по улучшению сельскохозяйственных культур.
Предоставлено:
[Китайская академия наук](https://phys.org/partners/chinese-academy-of-sciences/)