東北地理所在擬南芥超級(jí)增強(qiáng)子的鑒定與功能驗(yàn)證方面研究取得重要進(jìn)展
近日，東北地理所農(nóng)田有害生物控制學(xué)科組孟凡立研究員團(tuán)隊(duì)與美國(guó)密歇根州立大學(xué)（Michigan State University）Jiming Jiang團(tuán)隊(duì)和英國(guó)約翰英納斯中心（John Innes Centre）Anne Osbourn團(tuán)隊(duì)合作，在國(guó)際權(quán)威SCI期刊Proceedings of the National Academy of Sciences（PNAS）（IF：12.779）上在線發(fā)表了題為“Identification and functional validation of super-enhancers in Arabidopsis thaliana”的研究論文，該研究在植物中首次定位和鑒定植物超級(jí)增強(qiáng)子，將超級(jí)增強(qiáng)子概念引入植物研究領(lǐng)域。
增強(qiáng)子是長(zhǎng)度約200 bp 非編碼DNA序列，通過(guò)結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子(Transcription factor）和輔助因子（Mediator）作用于對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)子上，增強(qiáng)基因表達(dá)的效率。與啟動(dòng)子相比，增強(qiáng)子調(diào)控基因表達(dá)不具有方向性，可以位于靶基因上游或下游，也可以位于靶基因內(nèi)含子中。多數(shù)增強(qiáng)子只在細(xì)胞特定發(fā)育階段或特定外界環(huán)境誘導(dǎo)下才激活或增強(qiáng)靶基因轉(zhuǎn)錄效率。因此，增強(qiáng)子決定基因在什么時(shí)間，在哪里，以何種水平進(jìn)行表達(dá)，在基因表達(dá)調(diào)控中起決定性作用。2013年，Richard Young實(shí)驗(yàn)室基于當(dāng)時(shí)哺乳動(dòng)物增強(qiáng)子的研究基礎(chǔ)，首次提出了“超級(jí)增強(qiáng)子”（super enhancer）概念。超級(jí)增強(qiáng)子(SEs)是由連續(xù)排列的增強(qiáng)子串聯(lián)形成的增強(qiáng)子簇，跨度可達(dá) 8-20 Kb，具有更高的轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)組蛋白修飾，富集高密度的轉(zhuǎn)錄因子和輔因子，調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄能力更強(qiáng)，被認(rèn)為在哺乳動(dòng)物的細(xì)胞分化、免疫應(yīng)答等重要生物學(xué)過(guò)程中發(fā)揮著重要調(diào)控功能。超級(jí)增強(qiáng)子自從發(fā)現(xiàn)以來(lái)就成為世界科技前沿的研究熱點(diǎn)，但是植物超級(jí)增強(qiáng)子研究一直處于空白。
孟凡立研究員團(tuán)隊(duì)利用擬南芥DNase I超敏感位點(diǎn)測(cè)序數(shù)據(jù)，在擬南芥全基因組范圍內(nèi)查找含有大的增強(qiáng)子簇的染色質(zhì)開(kāi)放區(qū)域，鑒定出749個(gè)候選超級(jí)增強(qiáng)子，最小的長(zhǎng)度為1.5Kb。超級(jí)增強(qiáng)子所在基因組區(qū)域比其他啟動(dòng)子染色體開(kāi)放區(qū)域?qū)Nase I更敏感。超級(jí)增強(qiáng)子與拓?fù)潢P(guān)聯(lián)域（TAD）緊密相關(guān)聯(lián)（圖1）。SEs及其預(yù)測(cè)靶基因與擬南芥器官和組織發(fā)育密切相關(guān)。這些研究結(jié)果證明擬南芥超級(jí)增強(qiáng)子與哺乳動(dòng)物超級(jí)增強(qiáng)子具有相同的功能特征。在由五個(gè)基因組成thalianol生物合成基因簇（BGC）中間定位了一個(gè)長(zhǎng)3578 bp超級(jí)增強(qiáng)子，并利用CRISPR/Cas技術(shù)創(chuàng)制超級(jí)增強(qiáng)子的突變體。超級(jí)增強(qiáng)子中131-157 bp小片段缺失顯著抑制基因簇中五個(gè)基因轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致擬南芥根明顯變長(zhǎng)（圖2）。此外，SE區(qū)域中T-DNA插入也導(dǎo)致基因簇五個(gè)基因轉(zhuǎn)錄改變。該研究結(jié)果表明超級(jí)增強(qiáng)子在擬南芥組織發(fā)育特性相關(guān)基因表達(dá)和類(lèi)操縱子基因簇基因共表達(dá)中發(fā)揮著重要作用。
美國(guó)密歇根州立大學(xué)博士后Hainan Zhao（趙海楠，現(xiàn)為中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研究員）和東北農(nóng)業(yè)大學(xué)楊明宇博士為論文共同第一作者，美國(guó)密歇根州立Jingming Jiang（蔣繼明）教授、東北地理所孟凡立研究員和英國(guó)約翰英納斯中心Anne Osbourn教授為論文共同通訊作者。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合資助。
圖1 植物超級(jí)增強(qiáng)子與拓?fù)潢P(guān)聯(lián)域（TAD）緊密相關(guān)聯(lián)
圖2 超級(jí)增強(qiáng)子調(diào)控類(lèi)操縱子基因簇中基因共表達(dá)
論文信息如下：
Hainan Zhaoa#, Mingyu Yang#, Jade Bishop, Yuhan Teng, Yingxue Cao, Brandon D. Beall, Shuanglin Li, Tongxin Liu, Qingxi Fang, Chao Fang, Haoyang Xin, Hans-Wilhelm Nützmann, Anne Osbourn*, Fanli Meng*, Jiming Jiang*. (2022). Identification and functional validation of super-enhancers in Arabidopsis thaliana, Proceedings of the National Academy of Sciences.doi
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