启动子在调控动植物基因表达过程中扮演着关键角色。在哺乳动物体内，启动子能够与增强子等顺式作用元件进行远距离的交互，从而激活下游基因的转录过程。研究显示，H3K27ac作为哺乳动物增强子的一种表观遗传标记，可用于全基因组范围内识别和验证增强子的存在。相比之下，在拟南芥中，由于缺乏特定的组蛋白修饰标志、基因组的紧凑性以及实验技术上的限制，解析启动子与增强子之间的相互作用及其调控机制显得尤为困难。
2024年12月31日，北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、现代农学院、北京大学-清华大学生命科学联合中心周岳课题组在Genome Biology上发表了题为“Promoter capture Hi-C identifies promoter-related loops and fountain structures in Arabidopsis”的研究论文。该研究首次在拟南芥中应用了启动子捕获Hi-C（promoter capture Hi-C, PCHi-C）技术，揭示了启动子的空间调控模式，并阐明了启动子关联的“喷泉”结构形成机制。
这项研究通过PCHi-C技术发现了拟南芥中启动子相关的染色质环状结构，这些结构可以由基因体、近端启动子或基因间区与启动子之间建立，它们作为远端调控元件或增强子发挥作用。研究发现，启动子相关染色质环倾向于对基因转录起到抑制作用，并且与有序的染色质高级结构有关。此外，研究还鉴定了与启动子相关染色质环紧密联系的喷泉结构，这是一种在植物中尚未被系统研究过的结构。cohesin分子被发现结合于喷泉结构的中心区域，并参与到其形成过程中。喷泉结构内的染色质互动强度与启动子相关染色质环的数量正相关，而这些环的稳定性依赖于H3K4me3的修饰水平。在H3K4me3甲基转移酶突变体atxr3中，观察到喷泉内部启动子相关染色质环数量的减少，导致喷泉结构调控下的基因表达上调。
综上所述，该研究在拟南芥全基因组层面上鉴定了启动子相关的染色质环，并揭示了这些环对基因表达的负向调控功能。同时，它也展示了这些染色质环与其他高级染色质结构的关系，以及它们在维持“喷泉”结构中的作用，此结构的形成需要cohesin的参与。PCHi-C技术在拟南芥中的成功应用，对于探索大型作物基因组中启动子的远程互作元件及解析启动子调控模式具有重要意义。
图1：启动子相关染色质环调控模型。A.启动子相关环与TAD结构和喷泉结构密切相关。B.喷泉结构的形成和维持分别与cohesin和H3K4me3修饰相关。C.启动子相关环和基因表达负相关。
北京大学前沿交叉学科研究院博士生王鼎岳、现代农学院博士生肖苏芯和前沿交叉学科研究院博士生舒家悦为本文的共同第一作者。北京大学现代农学院博士生骆凌潇和杨敏琪同样参与了工作。西班牙植物生物化学和光合作用研究所Myriam Calonje研究员、北京大学生命科学学院何航研究员和北京大学现代农业研究院宋宝兴研究员也为本工作做出了重要贡献。北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、现代农学院、北大-清华生命科学联合中心周岳研究员为该工作的通讯作者。该研究得到科技创新2030-重大项目、国家自然科学基金、中国科学院青年交叉团队、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、北京大学现代农学院、北京大学-清华大学生命科学联合中心的资助。
