華中農大研究團隊繪製水稻染色質結合RNA與啟動子互作圖譜

研究開發了RNA-DNA互動科技,繪製了水稻染色質結合RNA與啟動子的全基因組互作圖譜,揭示了R-loop中RNA種類多元性與來源多源性,並報導了RNA在染色質環和染色質拓撲結構域等不同層級結構中的互動特徵。利用這一科技,研究人員構建了水稻H3ChRD-PET和H3K4me3ChRD-PET數據,分別表徵染色質結合RNA在全基因組上的結合位點,以及染色質結合RNA與H3K4me3修飾區域的互作圖譜。

近日,華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室李興旺和李國亮教授研究團隊研究成果以“The landscape of promoter-centered RNA-DNA interactions in rice”為題在Nature Plants發表。研究開發了RNA-DNA互動科技(ChRD-PET),繪製了水稻染色質結合RNA與啟動子的全基因組互作圖譜,揭示了R-loop中RNA種類多元性與來源多源性,並報導了RNA在染色質環和染色質拓撲結構域等不同層級結構中的互動特徵。

真核生物的染色質在細胞核內折疊包裝形成了複雜而有序的三維空間結構,參與基因轉錄等多種生命活動。其中,DNA、RNA和蛋白質彼此間會形成複雜的互作網絡,但染色質結合RNA在水稻三維基因組結構中的功能尚不清楚。

研究首先報導了一種植物RNA-DNA互作研究科技——ChRD-PET(Chromatin-associated RNA-DNA interactions followed by paired-end-tag sequencing),其主要原理是利用特异組蛋白修飾抗體,通過染色質免疫共沉澱富集DNA-RNA-蛋白質複合物,用一種生物素標記的DNA bridge linker,將複合物上空間接近的RNA和DNA進行連接,通過高通量測序獲得DNA和RNA互動的數據。利用這一科技,研究人員構建了水稻H3 ChRD-PET和H3K4me3 ChRD-PET數據,分別表徵染色質結合RNA在全基因組上的結合位點,以及染色質結合RNA與H3K4me3修飾區域(標記水稻活躍啟動子)的互作圖譜。進一步系統地分析了RNA與染色質互動的基本特徵。

結果顯示,有的RNA在轉錄原位參與互動(原位互動,35.9%),有的與附近DNA形成互動(鄰近互動,8.8%),有的則跨染色體去參與互動(遠程互動,55.3%)。在啟動子區域,編碼RNA和非編碼RNA,參與了廣泛的RNA-DNA互動,暗示了非編碼RNA在基因啟動子區對基因轉錄調控的潜在功能。

一部分染色質結合RNA可以與DNA單鏈形成RNA-DNA hybrid(R-loop),通過檢測RNA-DNA hybrid中DNA鏈可以反映R-loop在基因組中的形成位置,而R-loop中RNA鏈的來源和組成尚不清楚。為了探究這一問題,研究人員將ssDRIP-seq數據和H3K4me3 ChRD-PET數據聯合分析,鑒定了8562個R-loop衍生的RNA-DNA互動,發現除編碼RNA外,非編碼RNA可以通過遠程互動的管道參與R-loop的形成,說明了R-loop中RNA的多樣性和多源性,這一發現使人們對R-loop的組成和形成有了更深的認識。

此外,通過與水稻錶觀基因組數據聯合分析,研究人員揭示了預測增强子可以招募更多的RNA來互動,同時本身也轉錄更多的RNA去參與互動。進一步與水稻的三維基因組H3K4me3 ChIA-PET數據綜合分析,發現RNA與染色質環存在三種互動模式:染色質環的gene上沒有RNA互動、染色質環的gene上有不同的RNA互動、染色質環的gene和同一RNA互動。此外,在水稻染色質互動的拓撲結構中,一個基因轉錄的RNA可以和這個結構中一半以上的DNA有互動,共鑒定了614個這樣的拓撲結構域。

綜上所述,該研究開發了RNA-DNA互動科技,繪製了啟動子附近的RNA-DNA互動圖譜,並分別分析了DNA序列層面、一維線性表觀修飾和三維染色質結構層面的RNA-DNA互動特徵,推測RNA在染色質不同層級的三維結構中可能發揮著重要作用,有助於深入理解RNA與水稻染色質空間結構、各種錶觀修飾及基因轉錄調控的關係,為水稻RNA功能研究、遺傳改良和其他經濟作物的研究提供重要的研究資源和科學價值。

值得一提的是,該研究是繼一系列水稻、玉米高解析度三維基因組圖譜發表後,該團隊在植物三維基因組研究領域的又一重要進展。

華中農業大學博士研究生肖琴、博士研究生黃星宇為論文共同第一作者,李興旺教授、李國亮教授為論文共同通訊作者。清華大學孫前文教授、中國農業科學院(深圳)農業基因組所徐煒研究員參與了相關研究。該研究得到了國家自然科學基金,中國博士後科學基金、中央高校基本科研專項資金以及作物遺傳改良國家重點實驗室自主課題等項目基金的支持。

【英文摘要】

Chromatin-associated RNAs play key roles in various biological processes.However,both their repository and conjugation genomic loci and potential functions remain largely unclear.Here,we develop an effective method for mapping of chromatin-associated RNA–DNA interactions,followed by paired-end-tag sequencing(ChRD–PET)in rice.We present a comprehensive interaction map between RNAs and H3K4me3-marked regions based on H3K4me3 ChRD–PET data,showing three types of RNA–DNA interactions—local,proximal and distal.We further characterize the origin and composition of the RNA strand in R-loop RNA–DNA hybrids and identify that extensive cis and trans RNAs,including trans-non-coding RNAs,are prevalently involved in the R-loop.Integrative analysis of rice epigenome and three-dimensional genome data suggests that both coding and non-coding RNAs engage extensively in the formation of chromatin loops and chromatin-interacting domains.In summary,ChRD–PET is an efficient method for studying the features of RNA–chromatin interactions,and the resulting datasets constitute a valuable resource for the study of RNAs and their biological functions.

論文連結:https://www.nature.com/articles/s41477-021-01089-4

本文標題: 華中農大研究團隊繪製水稻染色質結合RNA與啟動子互作圖譜
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656032882356842
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