项目文章|植物也会“苦夏”?Hi-C一窥究竟!
2020.05.28

小满一过便是六月,气温可谓“突飞猛进”。《水浒》说:“烈日炎炎似火烧,野田禾稻半枯焦”。戴着口罩、靠空调续命的小编不禁质问桌上依然青翠的小绿萝:“外面天气那么热,你们植物不难受?”

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“别笑了,问你呢!”

小绿萝自然答不上这么深奥的“草”生难题,不过同事扔来的一篇Nature Communications文章倒是给出了一些线索。北京大学钱伟强课题组与邓兴旺实验室何航课题组合作的一项研究综合利用Hi-C为主的多种高通量测序技术,描述了拟南芥基因组空间结构在热胁迫下发生重组的历程。安诺基因为本研究提供了Hi-C建库测序服务,得以一窥植物的“苦夏”表现。

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研究思路


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主要研究结果

高温来袭时的“活跃分子”

植物面对酷暑没法逃到空调房,不过它们基因组里的转座元件(transposable elements,TEs)可没有闲着。通过比较对照组(22℃恒温)、高温组(37℃和22℃各12小时处理3天)和恢复组(高温处理后22℃恒温处理3天)的野生型拟南芥(Col-0)幼苗转录组数据,研究者发现高温组中表达上调(热激活)的TE数量较多。热激活TE的长度、GC含量和异染色质标记(H3K9me2)水平均高于全部TE平均水平,表明异染色质区域的TE更倾向于发生热激活。多数热激活TE在恢复组中会重新被沉默,仿佛只是经历了酷暑下的一场“骚动”。

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激活TE(红色)在长度、GC含量、异染色质组蛋白修饰等方面与整体TE(蓝色)存在显著差异


染色质也会“热到变形

染色质的空间结构并非一成不变。以往研究发现,高温可能导致异染色质的凝聚程度下降。从本研究的高温组和对照组Hi-C数据来看,高温处理下近着丝粒异染色质区域和染色体臂远端区域间的交互显著增强,但近着丝粒区域范围内的互作减弱。这表明近着丝粒区域在高温下与外部发生了更多的空间互作,热处理引起了染色质高级结构的重组。

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热胁迫与对照条件下Hi-C结果的差减矩阵,可以看到2号、4号染色体近着丝粒区域和其他区域互作的增加(红色部分)

高温处理同样引发了不同层级结构单元的变化。尽管A/B compartments间彼此转化的比例并不高,但compartments强度出现了显著下降。拟南芥中存在一些特殊的染色质高级结构,如KNOT结构由10个KEEs(KNOT engaged elements)形成,KEE之间发生高频的染色体内或染色体间互作。而在热胁迫下,多数KEE间的互作强度出现显著下降。此外,之前研究显示,拟南芥4号染色体左臂的一处knob(hk4s)结构与近着丝粒区域间存在中程的染色质环,这些染色体内的互作也出现了显著的强度下降。

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差减热图显示两对KEE(KEE3KEE4KEE7KEE8)之间的互作在高温组显著下调


染色质“放松”了,TE就“激活

TE在真核生物基因组中广泛存在,但它们的活跃可能导致基因组不稳定,多数情况下都受DNA甲基化等表观遗传机制调控而沉默。但在本研究中,并没有发现与TE激活相关的甲基化水平变化。这么看来,热胁迫下TE的激活,是否可能与染色质高级结构的变化有关系呢?

研究者从多个层级比较Hi-C展示的染色质互作变化和热激活TE的分布,发现两者之间确实有不少的联系,可能具有因果关系。相当一部分热激活TE与染色质loop存在重叠,有些甚至与数十个loop重叠,这表明大多数热激活TE周边存在染色质高级结构。部分互作强度显著变化的KEE处存在大量与loop重叠的热激活TE,显示TE激活与KEE区域染色质高级结构变化存在关联。通过比较对照组和高温组数据,研究者发现热激活TE上下游侧翼区的染色质互作减少,而TE本体的染色质互作强度往往保持不变或发生上升。这些证据都显示,TE热激活可能是热胁迫下染色质空间结构重组的结果之一。

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KEE3KEE4周边在热处理下的区域染色质高级结构和TE表达变化展示,可以看到热激活TE部分存在大量loop结构


小编盘点


经常会有刚接触Hi-C技术的小伙伴问:“做Hi-C是不是一定要做很多组学实验?ChIP-seq、ATAC-seq是不是一个都不能少?”实际上,有了Hi-C和“老搭档”转录组,同样可以做出非常漂亮的10分+文章!相比于上次分享的Hi-C文章,本研究的主体搭建在Hi-C和转录组两种技术基础上,只加入了少量基于其他组学公开数据(ChIP-seq、MNase-seq等)的分析。想用Hi-C展开课题研究,不妨先来学学这“重剑无锋”的刚健套路吧~


安诺基因作为业内三维基因组测序技术的引领者,自2015年初首次在国内推出动物群体Hi-C服务,随后将人类染色体三维构象解析分辨率提升至1 kb水平,同年12月在国内首次推出植物Hi-C服务。5年来,安诺Hi-C技术不断发展,助力众多研究者取得丰硕的成果。作为服务提供方,安诺基因与法国居里研究所、中国农业大学、中科院动物所、复旦大学、西南大学、南京医科大学等多家科研院所深度合作,相关研究成果已发表在NatureCellMolecular PlantNature PlantsNature CommunicationsMolecular Cell等国际高水平期刊,累计IF 182.1,平均IF 15.2


参考文献:

Sun L, Jing Y, Liu X, et al. Heat stress-induced transposon activation correlates with 3D chromatin organization rearrangement in Arabidopsis[J]. Nat Commun, 2020, 11(1): 1886.