邓兴旺《The Plant Cell》表观遗传修饰新成果

　　

生物通综合报道，著名华人科学家，北京生命科学研究所长邓兴旺带领的研究小组在《The Plant Cell》杂志在线发表玉米基因组表观遗传修饰等研究成果，文章标题为：Genome-Wide and Organ-Specific Landscapes of Epigenetic Modifications and Their Relationships to mRNA and Small RNA Transcriptomes in Maize。

 

2008年2月8日邓兴旺在《Plant Cell》上发表他领导团队的最新研究结果，探讨了水稻中表观遗传的改变与基因表达直接的相互关系。只有DNA甲基化而没有H3K4甲基化会导致转录的抑制，同时有DNA甲基化和H3K4甲基化，转录活性只降低一点点。编码蛋白基因的转录活性与 H3K4me3/H3K4me2的比率大小正相关，主要为H3K4me3时则转录活性高；主要为H3K4me2时转录活性低。

 

玉米基因组草图于2008年初公布。因此，对玉米基因组的注释，表观遗传修饰，基因和各种小RNA转录活性的研究成为玉米功能基因组学领域的重要课题。这是邓兴旺研究小组继水稻表观遗传学研究后的又一力作。

 

本研究中，邓兴旺等对四种组蛋白修饰和DNA甲基化是如何综合影响基因表达进行了系统的分析：三种组蛋白H3K4me3, H3K9ac, H3K36me3在编码蛋白的功能基因上丰度很高，而在转座子相关基因上很少，并且对基因表达起到正调控的作用；H3K27me3和DNA methylation对基因表达具有负调控的作用，并且是相互排斥的。小RNA中microRNA和siRNA的组成比例在植物不同的发育阶段是有所不同，这种差异是由mop1基因的组织特异性表达所控制：高丰度的mop1基因表达可以使24-nt siRNA比例升高；相反，低丰度mop1基因表达导致24-nt siRNA比例降低，而21-nt miRNA比例升高。本研究还发现了两类新的siRNA：一类长度为22-nt的siRNA，是由基因组中long hairpin double-stranded RNA产生，作用于基因的编码区；另一类(20~22-nt)由基因组中的短颠倒重复序列(Short inverted repeat)产生的类似于miRNA的siRNA (miRNA-like small hairpin RNA)，以反式作用的模式与基因的上下游互补链结合。

 

NIBS王向峰博士和李学勇博士，耶鲁大学Axel Elling博士及中国科学院李宁博士为文章共同第一作者。NIBS何光明博士和戚益军博士，耶鲁大学孙卉参与了ChIP-DNA，mRNA和小RNA库的构建。ChIP-Seq与RNA-Seq测序数据是由北京生命科学研究所产生，其分析工作是在耶鲁大学和哈佛大学 (X. Shirley Liu)实验室合作下完成的。北京大学彭智宇博士参与了玉米基因组功能注释工作。邓兴旺教授为该文章的通讯作者。

 

此项研究为科技部863项目和北京市科委资助课题。

（生物通 小茜）

生物通推荐原文检索：

Genome-Wide and Organ-Specific Landscapes of Epigenetic Modifications and Their Relationships to mRNA and Small RNA Transcriptomes in Maize

【Abstract】

Maize (Zea mays) has an exceptionally complex genome with a rich history in both epigenetics and evolution. We report genomic landscapes of representative epigenetic modifications and their relationships to mRNA and small RNA (smRNA) transcriptomes in maize shoots and roots. The epigenetic patterns differed dramatically between genes and transposable elements, and two repressive marks (H3K27me3 and DNA methylation) were usually mutually exclusive. We found an organ-specific distribution of canonical microRNAs (miRNAs) and endogenous small interfering RNAs (siRNAs), indicative of their tissue-specific biogenesis. Furthermore, we observed that a decreasing level of mop1 led to a concomitant decrease of 24-nucleotide siRNAs relative to 21-nucleotide miRNAs in a tissue-specific manner. A group of 22-nucleotide siRNAs may originate from long-hairpin double-stranded RNAs and preferentially target gene-coding regions. Additionally, a class of miRNA-like smRNAs, whose putative precursors can form short hairpins, potentially targets genes in trans. In summary, our data provide a critical analysis of the maize epigenome and its relationships to mRNA and smRNA transcriptomes.

 

邓兴旺 博士

北京生命科学研究所资深研究员

耶鲁大学植物生物学冠名教授

北大-耶鲁植物分子遗传学及农业生物技术联合中心主任

 

研究概述：

 

本实验室研究领域之一是在植物中从基因组水平探讨DNA甲基化/组蛋白修饰和染色质结构以及基因表达之间存在的关系。我们已经建立了一系列的实验技术平台，包括全基因组表达芯片，高密度寡核苷酸tilling芯片，以及ChIP-chip分析方法，运用这些技术和平台我们已经在水稻及拟南芥中展开了探讨染色质结构和基因表达以及植物发育之间的关系的研究；同时利用这些芯片和相关技术，我们还开展了寻找水稻栽培过程中杂种优势形成的分子及遗传基础的研究，取得了初步的进展；此外，最近我们刚刚开始了对水稻和拟南芥ncRNA（non-coding RNA）全基因组系统分析，运用严格的方法分离水稻不同组织器官在关键发育时期的ncRNA，运用高通量方法进行测序，验证并加以分类，从中挑选了部分正在进行生物学功能的研究。

 

本实验室另外一个研究兴趣是关于光调控的拟南芥幼苗发育过程的分子和生化机制。我们实验室在研究参与光调控的拟南芥发育过程的遗传通路时，找到了12个多效性COP/DET/FUS位点，确定它们介导了光对拟南芥幼苗发育过程的调节。其中，COP1是拟南芥光形态建成的关键的抑制因子，暗中在细胞核内作为E3通过26S蛋白体降解促进光形态建成的转录因子，而在光下COP1活性被抑制且在核内的丰度降低；另外一个基因COP10编码一个类似E2的蛋白；其余的多数基因编码一个高度保守的多亚基蛋白COP9复合体（COP9 signalosome）的不同亚基，COP9复合体是一个新的E3连接酶的调节因子，可以促进NEDD8/RUB1从特定的E3连接酶上解离下来。COP9复合体是细胞对外界刺激或胁迫产生反应的新的调节成分。目前，本实验室正在通过分子遗传和基因组学的方法，进一步深入地研究这类在所有多细胞有机体中保守的细胞调节复合体的功能。