2022-02-23
期刊:《Developmental Cell》
影響因子:12.270
文章題目:Dynamic chromatin state profiling reveals regulatory roles of auxin and cytokinin in shoot regeneration
技術(shù)手段:RNA-seq, ChIP-seq,ATAC-seq
派森諾與中科院分子植物卓越中心攜手合作,在《Developmental Cell》上發(fā)表構(gòu)建擬南芥芽再生過(guò)程的染色質(zhì)狀態(tài)動(dòng)態(tài)圖譜的研究成果。
研究背景
多細(xì)胞生物從成體組織(即分化的植物細(xì)胞)再生是一種普遍現(xiàn)象,在植物和動(dòng)物中都存在。與動(dòng)物細(xì)胞相比,植物細(xì)胞被認(rèn)為能夠保持全能性,在適當(dāng)?shù)捏w外培養(yǎng)條件下,并且大多數(shù)來(lái)自已分化器官的植物組織可以再生整株植物。近十年來(lái),在概述關(guān)鍵TFs和芽再生的潛在機(jī)制方面取得了重大進(jìn)展。然而,我們對(duì)激素誘導(dǎo)細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變相關(guān)分子變化的類(lèi)型和序列的了解仍然有限。在本研究中,通過(guò)構(gòu)建擬南芥芽再生過(guò)程的染色質(zhì)狀態(tài)動(dòng)態(tài)圖譜,揭示了生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素時(shí)序性調(diào)控外植體體細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變,誘導(dǎo)細(xì)胞多能性產(chǎn)生,并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)芽再生的分子機(jī)制。
研究?jī)?nèi)容
整合ATAC-seq和ChIP-seq分析,以檢測(cè)芽再生過(guò)程中的染色質(zhì)狀態(tài)
本研究通過(guò)在CIM(愈傷組織誘導(dǎo)培養(yǎng)基)上誘導(dǎo)愈傷組織形成,并將愈傷組織轉(zhuǎn)移到SIM(芽誘導(dǎo)培養(yǎng)基)上實(shí)現(xiàn)芽再生,重點(diǎn)研究從CIM的第0天(CIM0)到SIM的第8天(SIM8)的階段。在7個(gè)不同的時(shí)間點(diǎn)上進(jìn)行了21次組蛋白修飾的ChIP-seq實(shí)驗(yàn)(n = 42個(gè)重復(fù))和7次ATAC-seq分析(n = 14個(gè)重復(fù))。每個(gè)ATAC-seq和ChIP-seq庫(kù)都進(jìn)行了測(cè)序,PCA圖顯示,在同一時(shí)間點(diǎn)上,兩個(gè)生物重復(fù)之間具有較高的重現(xiàn)性。為了進(jìn)一步了解染色質(zhì)可及性對(duì)轉(zhuǎn)錄組的影響,本研究進(jìn)行了RNA測(cè)序(RNA-seq) (n = 21個(gè)重復(fù),圖1A)。
研究整合ATAC-seq和ChIP-seq數(shù)據(jù)集,使用ChromHMM來(lái)定義芽再生過(guò)程中不同的染色質(zhì)狀態(tài),ChromHMM算法識(shí)別出15種染色質(zhì)狀態(tài)(S1-S15狀態(tài)),每一種狀態(tài)都通過(guò)一個(gè)或多個(gè)標(biāo)記的差異富集來(lái)區(qū)別于其他狀態(tài)(圖1B)。轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)(TSS)側(cè)翼區(qū)域由四種染色質(zhì)狀態(tài)(狀態(tài)S6-S9)標(biāo)記,其中H3K9me3、H3K27ac、H3K4me3和H3K36me3都高度富集(圖1B)。基于高水平的ATAC-seq信號(hào)和tf結(jié)合基序的富集,我們將狀態(tài)S10標(biāo)記為開(kāi)放染色質(zhì)區(qū)域(增強(qiáng)子)的特征(圖1B和1C)。H3K27ac標(biāo)記不與S10狀態(tài)共定位,這與之前的觀察一致,即H3K27ac不是擬南芥活性增強(qiáng)子的標(biāo)志 (圖1B)。這些結(jié)果表明h3k27me3介導(dǎo)的抑制在抑制CIM上的關(guān)鍵生長(zhǎng)因子中發(fā)揮了重要作用。本研究沒(méi)有檢索到狀態(tài)S15的任何ChIP-seq和ATAC-seq信號(hào)(圖1B),這表明用這種狀態(tài)標(biāo)記的區(qū)域是不可達(dá)的,并且沒(méi)有規(guī)則的組蛋白修飾。
圖1芽再生過(guò)程中染色質(zhì)狀態(tài)概述
芽再生過(guò)程中染色質(zhì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變
我們分析了CIM到SIM轉(zhuǎn)換過(guò)程中染色質(zhì)狀態(tài)切換的特征。研究關(guān)注狀態(tài)S10,它標(biāo)記了TF結(jié)合的開(kāi)放染色質(zhì)。根據(jù)切換方向和原/目的狀態(tài),本研究將所有與狀態(tài)S10相關(guān)的轉(zhuǎn)移事件分為兩類(lèi)(圖2C)。一旦愈傷組織轉(zhuǎn)移到SIM,第一類(lèi)區(qū)域就從S10狀態(tài)轉(zhuǎn)移到其他染色質(zhì)狀態(tài),第二類(lèi)代表染色質(zhì)從其他狀態(tài)到狀態(tài)S10的過(guò)渡,通過(guò)GO富集得到相關(guān)go term。動(dòng)態(tài)染色質(zhì)狀態(tài)分析使我們能夠確定染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的局部變化與給定基因或區(qū)域的細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變有關(guān)。
圖2從CIM7到SIM3,染色質(zhì)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化
高生長(zhǎng)素環(huán)境通過(guò)增加與多能性和芽命運(yùn)相關(guān)的基因位點(diǎn)的可及性來(lái)啟動(dòng)芽再生
為了精確地定義生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素如何順序地調(diào)節(jié)這些動(dòng)態(tài),我們?cè)谖覀兊臅r(shí)間過(guò)程中對(duì)28,075個(gè)最具差異的可達(dá)區(qū)域進(jìn)行了k-means聚類(lèi),并確定了10個(gè)主要模式(聚類(lèi)C1到C10;圖3A)。同樣的方法被用于將2247個(gè)差異表達(dá)基因分類(lèi)成12個(gè)簇(簇K1-K12)。結(jié)果表明,高生長(zhǎng)素環(huán)境(CIM)通過(guò)誘導(dǎo)根同源基因(簇C4)促進(jìn)多能性的獲得,并通過(guò)增加梢命運(yùn)基因(簇C5和C9)的可得性促進(jìn)梢再生。此外,SIM上對(duì)植株命運(yùn)的決定與根系(C4簇)和植株(C1簇,如光合作用、營(yíng)養(yǎng)同化和光信號(hào))發(fā)育過(guò)程中可達(dá)性的損失和獲得相一致。
圖3芽再生過(guò)程中的染色質(zhì)可及性動(dòng)態(tài)
B型ARRs缺失時(shí)的多能性崩潰
細(xì)胞分裂素信號(hào)通常通過(guò)誘導(dǎo)芽的命運(yùn)在SIM上發(fā)揮作用。然而,目前尚不清楚細(xì)胞分裂素是否也在CIM上發(fā)揮重編程功能。研究發(fā)現(xiàn),CIM中有兩個(gè)顯著的階段,其特征是染色質(zhì)變化特別廣泛:第一個(gè)是在重編程的初始階段,由調(diào)節(jié)體細(xì)胞程序的順式元件上染色質(zhì)的大量閉合所定義,第二是建立再生能力,生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素共同在多能性和芽特性基因上創(chuàng)造一個(gè)穩(wěn)定和開(kāi)放的染色質(zhì)環(huán)境(圖4F)。在SIM上,觀察到染色質(zhì)可達(dá)性的相反模式,這與不同譜系特異性基因活動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化相一致:雖然這些基因位點(diǎn)與光合作用、營(yíng)養(yǎng)同化和光信號(hào)等芽發(fā)育功能相關(guān),但它們變得高度可及,而根基因順式元件迅速關(guān)閉(圖4F)。
圖4 B型ARRs缺失時(shí)的多能性崩潰
通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)錄調(diào)控動(dòng)態(tài)的分析,本研究進(jìn)一步確定了一組用于細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變的再生順式元件,并揭示了BES1、MYC、IDD和PIF轉(zhuǎn)錄因子在植株再生中的重要作用。本研究結(jié)果為植物細(xì)胞重編程的研究提供了綜合的資源,并為今后提高植株再生效率提供了潛在的研究目標(biāo)。
本研究RNA-seq和chip-seq的測(cè)序工作由上海派森諾生物科技有限公司完成。