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今天介绍的这篇文章是2023年9月25日，武汉大学生命科学学院的王建波团队在The Plant Journal杂志发表题为 “ Genomic asymmetric epigenetic modification of transposable elements is involved in gene expression regulation of allopolyploid Brassica napus” 的研究论文，该研究利用多组学分析（RNA-seq、小RNA-seq、WGBS、ChIP）的手段，揭示了TEs的基因组不对称表观遗传修饰参与了异源多倍体甘蓝型油菜基因表达调控。
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多倍体化是基因组进化的重要内源驱动因素，在被子植物中广泛存在。由于整个染色体组加倍，多倍体物种增加了遗传变异和基因数量，通常被认为对高度恶劣的环境具有更大的短期适应潜力。多倍体根据其形成过程分为自多倍体和异源多倍体。同源多倍体来源于WGD，而异源多倍体则经历物种间杂交和染色体组重复事件。多倍体化通常伴随着剧烈的基因组变化，带来挑战和机遇。在异源多倍体中，杂交或WGD可导致转座因子(TE)重新激活，导致“基因组休克”。TE对基因组组成和多样性有重要贡献，对进化至关重要。TE分为反转录转座子(I类)和DNA转座子(II类)。作为基因组中最可变的组成部分之一，它们可以通过复制和插入移动到新的位置，对基因组产生重大影响，并最终影响植物的基本生活史性状，如开花和抗逆性。甘蓝型油菜(Brassica napus ,AnAnCnCn)是由二倍体油菜(B. rapa，ArAr)和甘蓝(B. oleracea，CoCo)通过种间杂交和基因组加倍形成的。由于与B. rapa 和B. oleracea 的密切关系，B. napus 可以人工重新合成，使其成为跨时间尺度研究多倍体基因组的绝佳对象。中文标题：多转座元件的基因组不对称表观遗传修饰参与了异源多倍体甘蓝型油菜基因表达调控发表期刊：The Plant Journal （IF = 7.2/SCI一区）技术方案和样本类型：使用RNA-seq、小RNA-seq、WGBS、染色质免疫沉淀的技术手段分别探究B. rapa, B. oleracea, B. napus（RAC）、natural B. napus （NAC）和 “杂交体”(AC)的基因表达、siRNA、DNA甲基化和组蛋白修饰。每个样本生物学重复三次（共计12个样本），其中“杂交体”(AC)的数据是由计算的手段生成。为了确定TEs的分布和特征，研究人员使用EDTA软件对B. napus Darmor v5基因组进行了注释。共有50.0%的甘蓝型油菜基因组被标记为重复元件，鉴定出915 643个TEs。根据Repbase分类原则，将这些TEs分为反转录转座子(I类)和DNA转座子(II类)。异源多倍体B. napus 的基因组包含An和Cn两个亚基因组。TE序列在Cn亚基因组中的比例(46.7%)高于An亚基因组(37.1%)。在TE分类方面，II类TE (An: 68.6%， Cn: 57.7%)对两个亚基因组的染色体组成贡献更大，尤其是An亚基因组。此外，超过一半的TEs(I类:59.97%;II类:68.53%)位于基因侧翼8 kb以内，尤其是2 kb以内。TE与基因在各染色体上的密度分布表明，TE分布特征与其平均长度和所属分类密切相关。I类TEs的平均长度为741 bp，在着丝粒中显著富集，而II类TEs的平均长度为396 bp，在染色体上的分布模式与基因相似。![]()
大约7500年前，二倍体祖先B. rapa和B. oleracea杂交和多倍化形成natural B. napus (NAC)，并开始了漫长的自然选择过程。与NAC不同的是，经过杂交和WGD的Resynthesized B. napus (RAC)代表等位多倍体的早期建立阶段。研究人员采用全基因组亚硫酸盐测序(WGBS)方法测定了B. rapa, B. oleracea, RAC, 和NAC 的DNA甲基化谱，并将B. rapa and B. oleracea 的WGBS序列按基因组大小比例混合，构建理想的计算生成的“杂交体”(AC)，以研究异源多倍体过程中DNA甲基化特征和TEs的变化。结果表明，AC、RAC和NAC的全基因组TE甲基化水平相似。异源多倍化引起的TEs全基因组DNA甲基化水平变化不超过5%。在CG甲基化中，I类TEs的DNA甲基化水平高于II类TEs，而CHG和CHH之间的差异不明显。作者进一步分析了2kb内TE内及其周围的DNA甲基化水平，在所有三种甲基化背景下，TE中的DNA甲基化水平都高于周围DNA区域，并且CHH甲基化倾向于发生在II类TE的两端。与RAC相比，NAC中TE的CHG和CHH甲基化水平与亲本AC更相似。在异源多倍体化过程中，TE甲基化水平可能有恢复的趋势，这意味着甘蓝型油菜建立初期的剧烈变化可能随着进化时间的推移逐渐减弱，与二倍体亲本的DNA甲基化水平更加相似。作者进一步分析了TE的差异甲基化水平（DML），大多数DML-TE存在于CG环境中，在NAC和AC对照组中发现的DML-TE数量最多。NAC组与AC组DML-TE数均大于RAC组与AC组及NAC组与RAC组DML-TE数之和。这些结果表明异源多倍化可能导致TEs中DNA甲基化变化的积累。![]()
(3) 24-nt siRNA丰度与甘蓝型油菜TE甲基化水平有关研究人员结合小RNA数据分析了RdDM通路对TE甲基化的调控作用，对B. rapa, B. oleracea, RAC, NAC和计算生成的“杂交体”(AC)进行了小RNA测序。作者分析了8个TE超家族的DNA甲基化和siRNA表达水平，以证实油菜基因组中24-nt siRNA丰度与TE甲基化水平之间的关系。相同分类的TE超家族之间CHH甲基化水平的差异变化与siRNA丰度的差异相似，表明24-nt siRNA可以调节TEs的CHH甲基化水平，但这种模式在I类和II类TEs之间没有表现出来。将siRNA集群定义为包含至少5种不同siRNA的集群，并且它们之间的距离不超过200bp。通过定位siRNA簇，我们发现超过85%的编码siRNA簇的DNA区域与TE位置重叠。在B. napus的 3种基因型中，随着多倍体基因组形成时间的增加，响应基因侧翼和TE区的siRNA簇的比例逐渐增加，而位于基因上的siRNA簇的比例减少。表明TE在异源多倍体过程中与siRNA簇的关系越来越密切，通过RdDM途径参与TE调控的siRNA比例可能会逐渐增加。此外，siRNA簇对应位点的DNA甲基化水平显著高于两侧的2kb区域，这与TE中甲基化的分布相同。![]()
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为了研究同种异体多倍化过程中组蛋白修饰对TEs的可能影响，研究人员鉴定了TEs的两个活性组蛋白修饰状态(H3K4me3和H3K27ac)和一个抑制性组蛋白修饰状态(H3K27me3)。组蛋白修饰信号通常在TEs上增加，但不同组蛋白修饰在染色体上的信号变化不一致。TE区H3K27me3和H3K27ac修饰信号明显增加，组蛋白修饰水平高于附近区域。对于H3K4me3修饰，TE中也观察到组蛋白修饰信号增强。8个TE超家族的组蛋白修饰水平显示组蛋白修饰与TE超家族的类型相关。I类TE修饰信号的强烈变化主要是由于Copia中组蛋白修饰信号的明显增强，Helitron促进了II类TE修饰信号的变化。在II类TEs中，Harbinger和Mariner的活性组蛋白修饰显著降低。![]()
研究人员根据之前发表的转录组测序数据，在RAC与AC组的637个、NAC与RAC组的1317个和NAC与AC组的2424个差异表达基因(DEG)中探索了DML-TEs。12.1%、11.7%和25.7%的DEG基因体和侧翼区域插入了DML-TE，而9.7%、7.1%和19.1%的非DEG有DML-TE。DML-TE与DEGs之间的折叠变化相关性显示，差异甲基化的CG、CHG和CHH TE与DEGs之间呈负相关。GO富集分析探索表明这些DML-TE的基因富集在 “rRNA结合”、 “细胞对光强响应”和“应激响应”。![]()
(6) An和Cn亚基因组上TEs的多重表观遗传修饰是不对称的研究人员进一步探索了异源多倍体过程中An/Cn亚基因组中TE的DNA甲基化模式、siRNA和组蛋白修饰。位于Cn亚基因组的TE甲基化水平高于An亚基因组的甲基化水平，An和Cn亚基因组之间CHH甲基化水平的差异最低。在三种基因型中，Cn亚基因组的DML-TE总数高于An亚基因组。An亚基因组TE处siRNA簇的丰度高于Cn亚基因组，而Cn亚基因组TE处组蛋白修饰的比例更高。尽管Cn亚基因组中的DML-TE数量大于An亚基因组，但由于Cn亚基因组中TE的数量和密度较高，An亚基因组中差异甲基化TE的比例总体较高。这表明An亚基因组的TE可能更容易受到异源多倍体化过程中DNA甲基化变化的影响，尤其是CHG和CHH甲基化。除了计算生成的“杂交体”(AC)的II类TE上的siRNA簇外，An亚基因组的I类和II类te更容易受到siRNA和组蛋白修饰的影响，并且An和Cn亚基因组的表观遗传修饰是不对称的。NAC基因型Cn亚基因组的组蛋白修饰比例趋于降低至AC和RAC基因型之间的中间水平，或与RAC基因型保持相同的修饰水平。在An亚基因组中，NAC基因型中具有三个组蛋白修饰的TE的比例通常高于RAC基因型。受组蛋白修饰影响的TE比例在An亚基因组中增加，而在Cn亚基因组中恢复或维持，表明针对An和Cn亚基因组中TE的表观遗传修饰具有不同的模式和作用。![]()
综上所述，这项研究分析了甘蓝型油菜（B. napus ）基因组中TE的分布特征，并结合多组学测序方法，构建了计算生成的“杂交体”(AC)、natural B. napus （NAC）和Resynthesized B. napus（RAC）表观遗传修饰图谱。研究了甘蓝型油菜中TE的表观遗传修饰变化、RdDM途径对TE甲基化的调控以及An和Cn亚基因组之间TE分布和表观遗传修饰水平的不对称性。这项研究为植物异源多倍体分化过程中TEs的表观遗传修饰和调控机制提供了信息。
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参考文献: Xiao Y, Xi Z, Wang F, Wang J. Genomic asymmetric epigenetic modification of transposable elements is involved in gene expression regulation of allopolyploid Brassica napus. Plant J. 2024 Jan;117(1):226-241. doi: 10.1111/tpj.16491. Epub 2023 Oct 5. PMID: 37797206.原文链接: https://doi: 10.1111/tpj.16491本文来源于艾斯基因，版权归原作者所有，授权转载请联系原作者。文章只为学术新闻信息的传播，不代表本公众号观点。如有侵权请联系删除。
