南科大翟繼先團隊首次解析擬南芥基因組多位點相互作用

其他捕獲染色質多位點互作的科技,如SPRITE和ChIA-Drop,操作難度較大,難以在植物中應用推廣。本研究在擬南芥中應用Pore-C科技,首次對植物基因組的多位點互作情况進行解析。

近日,南方科技大學生命科學學院副教授翟繼先課題組使用基於Nanopore三代測序平臺的Pore-C科技,解析了擬南芥基因組多位點相互作用及關聯甲基化修飾,相關成果以“Pore-C Simultaneously Captures Genome-wide Multi-way Chromatin Interaction and Associated DNA Methylation Status in Arabidopsis”為題發表在國際知名學術期刊Plant Biotechnology Journal

染色質捕獲科技(Chromosome conformation capture)通過對染色質進行酶切和鄰近連接得到的嵌合體序列進行測序,獲得染色質互作資訊,解析基因組的三維結構。其中,Hi-C和ChIA-PET科技在植物中的應用,為我們提供了豐富的植物基因組結構資訊,解析了包括擬南芥、水稻、蕃茄、玉米等在內的多種植物的染色體互作圖譜。然而,由於二代測序讀長的限制以及其雙端測序的特點,Hi-C和ChIA-PET科技只能提供染色體位點兩兩互作的資訊(two-way interaction),而染色質多位點之間的互作資訊(multi-way interaction)只能由多個細胞的兩位點互作資訊推理得出。由於細胞間的異質性,這種推論並不準確。另外,Hi-C和ChIA-PET科技包括了PCR擴增步驟,也無法保留序列上的錶觀修飾資訊。其他捕獲染色質多位點互作的科技,如SPRITE和ChIA-Drop,操作難度較大,難以在植物中應用推廣。

Nanopore測序科技是一種長讀長、單分子的測序科技。通過對過孔電流訊號的解析,Nanopore可以讀出平均長達30kb的堿基序列資訊,並獲得DNA分子上包括m5C,hm5C,and m6A在內的錶觀修飾資訊。2019年,Ulahannan等人開發了Pore-C科技,使用Nanopore對染色質酶切、連接後形成的多片段嵌合體序列進行長讀段測序,成功解析了哺乳動物細胞中的染色質多位點互作情况。

本研究在擬南芥中應用Pore-C科技,首次對植物基因組的多位點互作情况進行解析。相比起Hi-C實驗流程,Pore-C的實驗流程無需生物素標記、片段化、親和純化、DNA片段純化等步驟,大大簡化了實驗操作步驟,建庫流程可以在三天內完成(圖1A)。研究人員使用擬南芥野生型幼苗構建了兩個Pore-C文庫,分別獲得6.5 million(11.7Gb)和3.5 million(7.9Gb)高品質讀段,N50長度分別為2654bp和3006bp。從這些文庫中一共拆出50.7 million有效的成對互作。對比Hi-C文庫,獲得相當成對互作數量所需要的Pore-C測序讀段數和測序堿基量都更少,證明Pore-C檢測基因組互作的效率更高。此外,Pore-C的兩個文庫之間,以及Pore-C和Hi-C數據在檢測擬南芥基因組互作時也有良好的一致性,說明該科技的可重複性和準確性較好(圖1B,1C)。在擬南芥中,有44%的Pore-C讀段能檢測到多個基因組片段(圖1D),和人細胞中Pore-C多位點互作讀段比例相近(47%),對多位點互作的檢測效率高於SPRITE科技。含基因組片段數越多的Pore-C片段,可以檢測到更遠基因組距離上的互作,這一特徵有助於輔助基因組拼接(圖1E)。

Pore-C在擬南芥中的應用,印證了在擬南芥基因組中存在多個KNOT ENGAGED ELEMENT(KEE)之間互作的推測。有超過1145條Pore-C讀段檢測到三個KEE之間的互作,並通過了統計學檢驗。其中,有一半的KEE多位點互作都和KEE3與KEE4相關聯,說明KEE3和KEE4可能是KEE高維互作的覈心區域(圖1F)。另外,還有多條Pore-C讀段檢測到了4個KEE之間的互作(圖1G)。Pore-C科技也檢測到了擬南芥中多個端粒之間的互作,該現象也與之前Hi-C數據所推導出的結論相符。

本研究還解析了Pore-C數據中的甲基化修飾資訊。研究人員使用甲基化修飾分析工具Deepsignal-plant解析了Pore-C片段中的CG,CHG,CHH的分布情况,得到的甲基化修飾訊號與傳統的全基因組亞硫酸氫鹽測序(Whole genome bisulfite sequencing,WGBS)檢測結果高度一致(圖1H)。研究人員還使用Nanopolish解析了與互作資訊關聯的CG甲基化,發現空間距離較近的互作片段之間存在較高的甲基化水准關聯性,這一規律與2019年任兵團隊使用Methyl-HiC科技在小鼠胚胎幹細胞(mESC)發現的規律相近(圖1I)。

圖1 Pore-C捕獲擬南芥基因組的多位點互作及DNA關聯甲基化資訊

A:Pore-C實驗流程示意圖;B,C:Pore-C兩個文庫之間(B)以及Hi-C和Pore-C之間(C)互作矩陣比較;D:擬南芥Hi-C和Pore-C數據中單條讀段上的互作DNA片段數(Contact Order)的分佈比較;E:不同Contact Order組別的Pore-C讀段中,互作頻率在基因組距離上的分佈;F:檢測到至少三個不同KEE元件的Pore-C讀段中的KEE組合分佈;G:與KEE3,KEE4,KEE7,KEE8關聯的Pore-C讀段比對位置分佈;H:Pore-C檢測到的CG、CHG、CHH DNA甲基化和WGBS甲基化結果比較;I:基因組距離25kb,100kb,1Mb的Pore-C互作片段之間CG甲基化水准的皮爾森相關係數(PCC)。

翟繼先課題組博士研究生李卓雯、研究助理教授龍豔萍為共同第一作者,翟繼先為該論文的通訊作者,南科大是論文第一單比特。翟繼先課題組博士研究生於義溟、劉智劍、莫偉鵬,碩士研究生張洪,研究助理教授賈津布也參與了本研究的部分工作;南科大生物系助理教授鄭梅珍、研究助理教授田忠原指導了該研究。該研究得到了國家重點研發計畫,廣東省創新創業團隊和深圳市科創委等項目的資助。

論文連結:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.13811

本文標題: 南科大翟繼先團隊首次解析擬南芥基因組多位點相互作用
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656002094094869
相关資料
南開團隊在腸道病原菌機械力訊號傳導機制研究領域取得進展
腸出血性大腸桿菌是重要的人類腸道致病菌,每年在世界範圍內引起約410萬例感染病例,嚴重威脅人類健康。由於EHEC引發的疾病具有暴發流行性和極强的致死性等特點,該致病菌已經成為世界範圍內的公共衛生問題。囙此,深入研究EHEC致病機制並全面解析
標籤: 腸道疾病 科學 科普
清華物理系龍桂魯團隊和電子系陸建華團隊合作實現一百公里量子直接通信
近日,清華物理系龍桂魯教授團隊與電子系陸建華教授團隊合作,設計和實現了一種相位量子態與時間戳記量子態混合編碼的量子直接通信新系統,通信距離達到百公里,實現了當前世界最長的量子直接通信距離。這樣的名額可以在無中繼條件下實現城市之間的點對點量子
標籤: 通信 量子 量子通信 陸建華 量子傳輸
廣州大學化學化工學院林璟副教授在化工領域國際知名期刊《Chemical,Engineering,Science》上發表最新研究成果
為攻克這一難題,團隊設計了一種響應型的JanusPVDF複合膜,該膜具有選擇潤濕性,賦予特定的按需分離能力,能够實現油包水和水包油乳液體系的分離;又具有靜電吸附和光降解功能,實現有機染料的分離和降解;膜的抗菌性和低黏附性有效將細菌殺滅和解决
標籤: 科普
深圳大學高等研究院高永祥與香港大學王宇鋒教授團隊在《ACS,Nano》發表活性-惰性混合膠體體系組裝的重要進展
近年來湧現的活性膠體遠離平衡態,能够消耗能量或展現自驅動運動。近日,深圳大學高等研究院高永祥團隊與香港大學王宇鋒教授團隊合作,以光催化二氧化鈦活性膠體與惰性聚合物膠體為模型體系,發現由擴散泳/滲透流作用引發的多種新穎非平衡態二元結構。
標籤: acs nano 大學 港大 深圳大學 科普