作為一種重要的表觀遺傳標(biāo)記，DNA甲基化修飾為植物抑制轉(zhuǎn)座子和基因表達(dá)活性、維持基因組穩(wěn)定性所必須。然而靈活的基因表達(dá)是植物響應(yīng)環(huán)境變化的必要手段。如何平衡上述二者之間的關(guān)系對植物生存具有重要意義。

 

     為了探究植物在維持DNA甲基化穩(wěn)定性前提下，控制基因彈性表達(dá)的分子機(jī)制，此前北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院劉啟昆課題組在擬南芥morc-1突變體背景下建立了攜帶有SDC:GFP轉(zhuǎn)基因報(bào)告系統(tǒng)的遺傳體系，導(dǎo)致原本受DNA甲基化修飾而表達(dá)沉默的SDC:GFP報(bào)告基因產(chǎn)生彈性表達(dá)。利用這一特殊的遺傳背景，劉啟昆課題組通過遺傳篩選發(fā)現(xiàn)DDR4-ISWI染色質(zhì)重塑復(fù)合體的功能為上述基因彈性表達(dá)行為所必須。

 

     進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，這種基因轉(zhuǎn)錄水平的彈性表達(dá)通常伴隨著基因所在位點(diǎn)附近核小體排布方式的改變。通過基因靶向技術(shù)將DDR4-ISWI染色質(zhì)重塑復(fù)合體靶向結(jié)合到FWA基因啟動(dòng)子的DNA甲基化區(qū)域，證明原本沉默的FWA也可發(fā)生彈性表達(dá)，雖然此彈性表達(dá)的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于擦除DNA甲基化帶來的轉(zhuǎn)錄激活效應(yīng)。

 

     實(shí)驗(yàn)中遇到的一大挑戰(zhàn)是了解DDR4-ISWI的全基因組結(jié)合位點(diǎn)，獲得其調(diào)控核小體排布的直接證據(jù)。但課題組多次嘗試均無法獲得成功。為了解決這一困難，課題組將DDR4與鋅指蛋白融合，并發(fā)現(xiàn)了數(shù)千個(gè)由于鋅指蛋白脫靶效應(yīng)導(dǎo)致的DDR4異位結(jié)合位點(diǎn)。由于所有DDR4異位結(jié)合位點(diǎn)均具有鋅指結(jié)合基序的近源序列（長度18-nt），相較常規(guī)的ChIP-seq這大大提高了DDR4結(jié)合位點(diǎn)的定位精度。將上述結(jié)合位點(diǎn)與MNase-seq，Whole-genome bisulfite sequencing，以及轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行多組學(xué)聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn)DDR4-ISWI的染色質(zhì)結(jié)合可引起核小體排布的波浪式周期性重置，雖然絕大多數(shù)發(fā)生核小體排布重置的區(qū)域并不引起基因轉(zhuǎn)錄或DNA甲基化修飾的改變，那些發(fā)生轉(zhuǎn)錄和DNA甲基化修飾改變的區(qū)域通常伴隨著核小體的重置，暗示DDR4-ISWI染色質(zhì)結(jié)合的直接影響是核小體排布的改變，而轉(zhuǎn)錄水平的變化很可能是間接效應(yīng)。

 

DDR4-ISWI的作用機(jī)制模式圖

 

     總結(jié)，課題組基于報(bào)告基因的遺傳篩選，發(fā)現(xiàn)了基于核小體排布方式改變引起基因彈性表達(dá)的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制。雖然這一機(jī)制并非DNA甲基化修飾位點(diǎn)所特有，它為植物響應(yīng)環(huán)境變化平衡基因組穩(wěn)定性和基因表達(dá)靈活性的方式提供了一種可能的解釋。

 

     北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院研究員劉啟昆為論文的通訊作者。北大博雅博士后張啟燕博士和博士生王澤家為論文的共同第一作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、北京大學(xué)蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院的資助。