NAR | 华中农业大学李兴旺/李国亮/阎加培团队揭示水稻组蛋白H3K9ac修饰的昼夜振荡模式和3D基因组结构的节律动态变化

来源：BioArt植物

为了适应地球自转产生的环境节律性变化，高等植物进化出了内源性计时系统--生物钟。生物体的多种生物过程例如，基因表达、细胞代谢和生长发育都受到生物钟的精准调控，以使得能量的获取与利用达到最佳水平。在水稻中大约三分之一活跃表达的基因具有周期节律，然而对生物钟调控节律基因表达的分子机理研究还不深入；节律基因表达的表观基因组和三维基因组基础还不清楚。

近日，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室三维基因组学李兴旺、李国亮和阎加培团队在Nucleic Acids Research上在线发表了题为“Integrated 3D Genome, Epigenome, and Transcriptome Analyses Reveal Transcriptional Coordination of Circadian Rhythm in Rice”的研究论文，揭示了组蛋白H3K9ac修饰的昼夜振荡模式和3D基因组结构的节律动态变化，并探索不同光照条件下水稻节律性基因的表达差异。

前期，课题组报道了RNAPII介导的水稻昼夜三维基因组结构动态变化在大田条件下调控节律基因的表达 (Deng et al 2022)，对解析不同空间尺度上DNA调控元件节律性相互作用变化规律，阐明调控节律基因表达的分子机理有重要意义。然而，在不同光照条件 (LL：恒定光照，LD：12 h光照/12 h暗，DD：恒定暗) 水稻节律基因表达调控的表观遗传学和三维基因组结构尚不清楚。为此，研究者在三种光照条件下建立了全基因组RNA-seq、H3K9ac ChIP-seq、ATAC-seq和BL-Hi-C数据集。这是在LL, LD和DD条件下研究水稻昼夜节律转录组和振荡表观遗传修饰的第一篇报道。

在不同条件下H3K9ac修饰位点都呈现明显的节律变化，并且发现H3K9ac修饰信号水平与相应位点节律变化的表达水平呈现显著的正相关；组蛋白乙酰化修饰的表达峰会优先于节律基因表达峰1-2小时，说明H3乙酰化的节律变化是驱动节律基因转录表达的重要因素。此外，研究者发现不同光照条件下水稻节律基因表达的震荡特征有很大差异。在全基因组表达的节律基因中，LL条件的表达量低于LD，但高于DD；LL条件的表达振幅低于LD，但高于DD；LL条件下相位前移，DD条件下相位延迟。研究者对已知核心生物钟基因在不同条件下的表达模式进行了验证，与全基因组中节律基因的表达一致：持续黑暗导致节律基因的相位延迟，持续光照导致节律基因的振幅降低。

ATAC-seq数据分析发现，开放染色质区域在一天24小时中无显著变化，但是大量转录因子以时间依赖性的方式结合到染色质区域，驱动节律基因的表达。随后，研究者通过整合核心生物钟基因开放染色质区域的节律footprint，预测转录因子，绘制了振荡性结合的转录因子与节律性表达基因的调控网络。研究者发现：参与光和温度信号的转录因子在昼夜节律振荡和协调核心生物钟基因表达方面发挥了重要作用。

研究者利用原位Hi-C技术对ZT8和ZT20时的染色质结构进行了比较分析，ZT8特异性表达的节律基因在ZT8时的染色质结构是紧密的，而在ZT20时是松散的，说明在一天中节律基因的震荡表达与染色质3D结构的动态变化保持同步。此外，节律lncRNA伴随着同步震荡的H3K9ac修饰与附近节律基因发生共表达，这种共表达可能是由于染色质空间的相互作用导致的。

综上，这些发现表明了振荡的H3K9ac修饰、动态结合的TF和共表达的节律lncRNA与节律基因表达之间存在同步机制，并为与节律基因表达相关的空间染色质构象动态变化提供了新见解。

华中农业大学博士研究生张莹和陈国庭为共同第一作者，华中农业大学李兴旺教授、李国亮教授和阎加培研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、华中农业大学青年团队培育项目、华中农业大学交叉科学研究院和湖北洪山实验室相关基金等资助。

参考文献

Deng L, Gao B, Zhao L, Zhang Y, Zhang Q, Guo M, Yang Y, Wang S, Xie L, Lou H, Ma M, Zhang W, Cao Z, Zhang Q, McClung CR, Li G, Li X. Diurnal RNAPII-tethered chromatin interactions are associated with rhythmic gene expression in rice. Genome Biol, 2022, 23: 7

论文连接

https://doi.org/10.1093/nar/gkad658