保守的HSFA1依赖性染色质动力学驱动植物热应激反应

《Cell Reports》：Conserved HSFA1-dependent chromatin dynamics drive heat stress responses in plants

本研究针对植物如何通过染色质重塑响应热胁迫的机制展开探索，揭示了HSFA1在调控顺式作用元件（CRE）可及性中的核心作用。通过整合多组学与机器学习方法，研究人员在Marchantia和Arabidopsis中发现HSFA1依赖的染色质动态变化与热应激基因表达高度相关，并鉴定出MpWRKY10和MpABI5B等并行调控因子。该研究不仅阐明了HSFA1在进化上的保守性，还构建了跨物种基因表达预测模型，为理解植物逆境适应提供了新的理论框架。

　　

在自然界中，植物无法像动物一样通过移动来躲避高温，因此它们演化出了一套精细的分子机制来应对热胁迫。热应激反应（HSR）是植物生存的关键，其中热休克转录因子（Heat Shock Factor, HSF）家族扮演着核心角色。然而，热应激如何引发全基因组范围内的染色质结构变化，以及HSF家族成员，特别是HSFA1，在这一过程中具体发挥何种作用，其进化保守性如何，仍是悬而未决的科学问题。此外，热应激反应通常与其他应激信号通路（如脱落酸ABA信号）存在交叉对话，这种复杂的调控网络如何协调工作，也亟待深入解析。为了解决这些问题，发表在《Cell Reports》上的这项研究，以具有简单基因组的基部陆生植物地钱（Marchantia polymorpha）和模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）为模型，展开了一场从染色质动态到基因调控的深入探索。

研究人员综合运用了多种关键技术方法。他们首先构建了Marchantia的HSF基因敲除突变体（包括Mphsfa1, Mphsfb1单突变体和Mpdko双突变体）以及拟南芥的Athsfa1a/b/d三突变体（eTK）。通过对这些材料进行热激（HS, 37°C）和ABA处理，利用ATAC-seq（转座酶可及染色质测序）在全基因组范围内绘制了染色质可及性动态图谱，同时通过RNA-seq（RNA测序）分析了基因表达变化。为了直接解析HSFA1的DNA结合特性，研究还采用了DAP-seq（DNA亲和纯化测序）技术。此外，通过基因调控网络（GRN）建模和机器学习算法，整合了染色质可及性、CRE信息和基因表达数据，以预测应激响应基因的表达模式并挖掘潜在的调控规则。

HS诱导Marchantia中HSFA1依赖的全基因组染色质重塑

研究团队发现，热应激在Marchantia野生型（Tak-1）中引发了广泛的染色质可及性变化，鉴定出大量差异开放染色质区域（dOCR）。通过聚类分析，这些dOCR被分为四个主要簇（A1-A4），其中A3和A4簇在热激下被诱导开放，而A4簇的开放 specifically 依赖于MpHSFA1。值得注意的是，A4簇中的基因显著富集于典型的热应激反应和蛋白质折叠功能。相比之下，MpHSFB1的缺失主要影响与角质生物合成等过程相关的染色质区域。这些结果表明，MpHSFA1是热诱导染色质重塑，特别是经典热应激基因激活的关键调控因子。

HSFA1协调Marchantia和拟南芥中HS响应基因的染色质重塑和转录反应

基因表达分析显示，在Mphsfa1突变体中，大量热诱导基因的表达上调被显著削弱。与染色质可及性数据类似，这些HSFA1依赖的诱导基因（R2簇）也富集于热应激反应。更重要的是，染色质可及性的变化（dOCR）与基因表达（DEG）在HSFA1依赖的簇（A4和R2）中表现出强烈的正相关。在拟南芥中，Athsfa1三突变体（eTK）同样丧失了大部分热诱导的染色质开放和基因激活。跨物种比较进一步发现，拟南芥和Marchantia中HSFA1依赖的基因集合存在显著的重叠和功能保守性，凸显了HSFA1介导的染色质重塑机制在陆生植物中的古老起源。

HSFA1结合在真核生物热激活基因的启动子近端CREs处富集

为了探究HSFA1如何塑造染色质景观，研究人员分析了其DNA结合位点。Motif富集分析发现，热休克元件（HSE）在HSFA1依赖的dOCR和DEG簇中高度富集。对多种植物（包括Marchantia、拟南芥、番茄等）的HSFA1 DAP-seq或ChIP-seq数据进行分析后，揭示了一个保守的特征：HSFA1的结合位点倾向于分布在转录起始位点（TSS）的下游区域，这与许多其他转录因子的结合位点集中于TSS附近形成对比。这种下游富集模式在热激后的番茄ATAC-seq数据中也得到验证，表明这可能是真核生物HSFA1调控的一个普遍特性。

MpWRKY10和MpABI5B是HSFA1间接HS响应所必需的

通过构建整合多层数据（基因表达、染色质可及性、HSFA1结合）的基因调控网络（GRN），研究发现网络中约75%的转录因子（TF）并非HSFA1的直接靶标，提示存在大量的HSFA1非依赖或并行调控路径。从中，研究筛选出MpWRKY10和MpABI5B这两个高度连接的TF进行功能验证。表型分析显示，Mpwrky10和Mpabi5b敲除突变体均表现出对高温的耐受性增强。转录组分析表明，MpWRKY10作为一个转录激活剂，其缺失导致苯丙烷类生物合成途径等相关基因的表达改变；而MpABI5B则更多地参与一般胁迫反应。这些结果表明，MpWRKY10和MpABI5B作为负调控因子，在平行于HSFA1的通路中精细调控热应激反应。

MpHSFA1是ABA介导的转录调控所必需的，但对Marchantia的染色质重塑程序非必需

研究发现Mphsfa1突变体对ABA处理表现出超敏感性，表明MpHSFA1参与ABA信号应答。然而，与热应激不同，ABA处理在Marchantia野生型中并未引起显著的全基因组染色质可及性变化，尽管它诱导了广泛的转录重编程。在Mphsfa1突变体中，ABA响应基因的表达水平显著低于野生型。相关性分析进一步表明，ABA诱导的转录变化与染色质可及性变化的关联较弱。这些结果提示，HSFA1是ABA响应性转录所必需的，但ABA信号可能主要通过不依赖于大规模染色质重塑的、更下游的机制来调控基因表达。

HS和ABA反应在植物转录水平上是可预测的

最后，研究利用机器学习框架，基于启动子区域的k-mer（短序列 motif）和ATAC-seq特征，来预测基因在热激或ABA处理下的表达变化。模型在预测热应激响应基因方面表现出色，其性能在结合染色质可及性特征后得到进一步提升。交叉预测实验表明，基于热激数据训练的模型能够较好地预测其他物种或其他胁迫（如ABA）下的基因表达，但反之则效果不佳。这暗示热应激相关的CRE组合可能更具上下文依赖性且进化上更为多样。此外，研究还发现了一些新的潜在调控 motif。这项工作展示了利用CRE信息解码应激响应基因调控逻辑的能力。

综上所述，这项研究系统地揭示了HSFA1作为核心调控因子，在驱动植物热应激响应中染色质动态重塑的关键作用，这一机制在从地钱到拟南芥的陆生植物中是保守的。研究不仅鉴定了HSFA1平行的调控网络（如MpWRKY10和MpABI5B），还阐明了HSFA1在ABA信号应答中不同于热应激的独特角色——调控转录但不引发大规模染色质重塑。更重要的是，通过整合机器学习，研究证明了基于顺式调控元件的逻辑可以有效预测基因的应激表达模式。这些发现极大地增进了我们对植物如何通过多层次转录和染色质调控来适应高温胁迫的理解，为未来作物抗逆育种提供了重要的理论依据和新的思路。