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如何破译异源多倍体化中的表观遗传密码?WGBS+ChIP-seq+RNA-seq 揭示油菜同源基因偏倚表达的调控机制
2021-09-23 下载

组蛋白修饰和DNA甲基化是表观遗传调控的两种重要方式,随着高通量测序技术的进步,组蛋白免疫共沉淀测序(ChIP-seq)和全基因组甲基化测序(WGBS-seq)越来越多地应用于表观遗传调控的研究中。

下面这篇近期发表在New Phytologist上的文章中,作者通过多组学联用对甘蓝油菜同源基因表达、DNA甲基化及组蛋白修饰水平进行了检测分析,全面阐述了同源基因在甘蓝型油菜多倍化进程中的偏倚表达和不对称表观遗传调控的特性。在此研究中,康测科技协助客户开展了ChIP-seq实验,在全基因组范围揭示了组蛋白修饰的调控作用。

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研究背景和待解决的科学问题

多倍体化(基因组加倍)在自然界中广泛分布,是许多植物和部分动物进化和多样性形成的主要驱动力之一甘蓝型油菜(Brassica napus, AACC)是由两个二倍体前体油菜(Brassica rapa, AA)和甘蓝(Brassica oleracea, CC) 杂交和染色体加倍形成的异源二倍体化过程中会出现两个不对称的亚基因组而亚基因组间的同源基因的偏倚表达可以促进植物对环境因素的适应能力

DNA甲基化和组蛋白修饰这两种重要的表观修饰参与基因表达调控已被熟知,但是表观遗传修饰在异源多倍体中参与同源基因偏倚表达调控的方式仍然并补清楚。

本文想要解决的科学问题就是分析甘蓝型油菜同源基因的表观修饰与基因偏倚表达的相关性解析异源二倍体化过程中同源基因表达和表观遗传重构机制。

 

研究过程和结果

一、甘蓝型油菜异源二倍体同源基因偏倚表达

 

 1. 异源二倍体化研究基因组模型

为了研究异源多倍体化过程中基因偏倚表达机制,作者选取三种甘蓝型油菜基因组模型进行研究:

1)天然异源二倍体甘蓝型油菜NAC,是自然形成的甘蓝型油菜(Brassica napus, AACC)

2)合成异源二倍体甘蓝型油菜(RAC),通过AA(Brassica rapa, AA)和甘蓝CC(Brassica oleracea, CC) 杂交获得的AC进行染色体加倍获得的AACC;

3)模拟基因型(A_C),通过对亲本(AA)和(CC)的组学数据进行提取合并,构建出A_C模拟基因型;

    通过比较NAC和RAC相较于A_C的同源基因表达差异,以解析异源二倍体化过程中基因偏倚表达的变化规律。

 

2. 三种基因型中同源基因表达偏倚占比统计

作者统计了三种基因型中分别来自于A和C亚基因组的同源基因对(gene pairs)的数目,并基于基因对的表达差异分成了三类:

1)偏倚A(A bias)基因组表达的基因对(A-BEGs);

2)偏倚C(C bias)基因组表达(C bias)的基因对(C-BEGs);

3)偏倚(Unbiased)表达的基因对(nBEGs);

  如下表所示,三种基因型中偏倚表达的基因对占比存在差异表明二倍化过程中基因偏倚表达发生了改变。

 

 

3. 同源基因偏倚表达在三种基因型中的差异和共性

1)BEGs和nBEGs在三种基因型中的异同

大部分nBEGs在两种及以上的基因型中存在(下图c);而大多数的BEGs是特定基因型独有的(下图a,b)。

 

 

2)共有BEGs在基因型中的偏倚表达规律

绝大多数A-BEGs在不同基因型中的表达呈正相关(下图d-f)

 

 

3)同源基因偏倚表达模式在多倍化中发生改变

作者统计了A基因组来源的基因三种基因型中表达占比差异,结果表明RAC和NRC相较于A_C,A源基因占比降低(下图g)

不同类型的同源基因偏倚表达模式也随着二倍化过程(A_C转变成RAC和NAC)发生改变(下图h)

 

 

上述结果表明在异源二倍体化过程中,同源基因偏倚表达模式发生改变。

 

二、甘蓝型油菜异源二倍体同源基因不对称表观修饰

为了研究异倍体化过程中,同源基因不对称表观修饰的变化规律,作者使用WGBS-seq和ChIP-seq技术分别检测了三种基因型同源基因的甲基化修饰和组蛋白修饰水平。

 

1. A_CRACNAC基因型中全基因组甲基化分布

1)启动子区的DNA甲基化水平高于gene body区下图g)

2)异源二倍体中甲基化修饰存在不对称性,基因对中启动子区域存在甲基化修饰的基因更多来源于C亚基因组下图g)。

 

 

2. 作者对三种基因型中同源基因的甲基化修饰水平差异DMLs)进行分析下图b,c):

1)甲基化修饰的A_C特有基因(group#1)数目最多,表明在异源二倍体化的进程中,部分亲本的甲基化修饰被消除

2)RAC/NAC各自特有的甲基化修饰基因(group#2/#3)的数目低于group#1, 表明在异源二倍体化的进程中,重新生成了某些含甲基化修饰的同源基因对

3)NACA_C共有DMLs基因(group#5)比NACRAC共有DMLs基因(group#6)的数目更多,表明NAC中DMLs更多来源于亲本同源基因的甲基化修饰

 

 

3. 不同基因型全基因组组蛋白三种修饰水平比较

分析同源基因对间的组蛋白修饰差异(DHMs)发现,除了NAC中的H3K4me3修饰差异外,具有C同源偏倚的差异组蛋白修饰(DHMs)的基因对数量总是大于具有A同源偏倚的基因对数量(下图d)表明组蛋白修饰在同源基因对中存在不对称性分布模式

 

 

4. 转录组及表观组学数据联合分析

同源基因对的表观修饰水平差异与基因偏倚表达呈正相关(下图e)上述结果表明在异源二倍体化过程中,发生偏倚表达的同源基因的DNA甲基化和组蛋白修饰模式发生了变化。

 

 

三、甘蓝型油菜异源二倍体过程中同源基因表达及表观修饰的代际传递模式分析

 

1. 作者将RAC/NAC基因型中的同源基因对根据与亲本A_C中表达与表观修饰特征的相关性进行了分组统计

A组为继承亲本遗传特征的基因对组成;

B组为消除初始表达及修饰的基因对组成;

C组为新出现的偏倚表达/表观修饰基因对组成;

 

2. 根据基因表达/表观修饰的偏倚模式,A、B、C三组又进一步细分I-IX九种代际传递模式,下图b直观展示了9种模式在基因型中的占比

1)A组的基因数目占比始终最高,VIII和IX模式的基因对比例始终最低

2)DNA甲基化修饰遗传中gene body区显著高于启动子区;

表明亲本遗传在基因表达和表观遗传修饰的传递中具有压倒性的重要作用

 

3. 作者A和C两个亚基因组间的亲本遗传特征分别进行了分析(下图c

RAC/NAC中维持亲本状态亲本遗传的基因比例在两类A和C之间存在显著差异

 

 

上述结果表明,基因表达的属间传递/表观遗传修饰是否以亲本遗传为主,取决于亲本/祖先中两个亲本的原始相对状态。

 

四、甘蓝型油菜异源二倍体过程中同源基因的顺式/反式调控模式

 

1. 按照/反式调整机制将基因对分类统计

1)进化过程中,大多数基因表达受到调控都是保守(atype VI)

2)对差异调控重新统计发现group I(cis-only)的数量最多(b),说明顺式调控倾向于独立起作用,反式调控倾向于与顺式调控一起作用

 

 

2. 作者对RAC和NAC基因型中存在偏倚调控(regulatory divergence, RD)模式的同源基因对进行统计, 并对RD调控基因和BEGs基因集进行了分析,发现大部分(80.6%)RD调控基因的表达存在偏倚表达(下图e~g)。

 

 

上述结果表明在甘蓝型油菜异源二倍化中偏倚表达基因主要受到保守的RD模式调控。

 

五、不对称表观修饰调控同源基因偏倚表达

 

为了确认基因的偏倚表达是否受到表观修饰差异的调控,作者进一步探讨同源基因表达偏倚与不对称的表观遗传修饰相关性。

 

1. 存在DMLs /DHMs的基因对多于无DMLs /DHMs的基因对(图5a,b)

 

 

2. 基因对的偏表达与不同的表观遗传修饰正负调控的关联性

DNA甲基化和H3K27me3修饰可能抑制同源基因表达H3K4me3和H3K27ac标记可能激活同源基因表达下图c)。

 

 

3. 相关性定量分析发现H3K4me3和H3K27ac标记与偏倚基因的表达量正相关(下图d)。

 

 

4. 同源基因多种表观修饰与偏倚表达之间的相关性

采用层次聚类分析,获得具有多种表观修饰与偏倚表达的基因集(Cluster),其中H3K4me3和H3K27ac组蛋白修饰的共现率最高

 

 

5. 表观修饰调控同源基因偏倚表达的模式

1)表观修饰频率高的基因对主要受顺式调控方式主要为顺式调控(下图c);

2)RD调控同源基因集中的表观修饰中H3K4me3和/或H3K27ac的占比居多(下图e)。

 

 

上述结果表明,H3K4me3和H3K27ac两活性组蛋白修饰,主要通过顺式效应方式在甘蓝型油菜异源二倍化进程中调控同源基因偏倚表达。

                              

 

总结

  本文采用RNA seq、 WGBS和ChIP seq检测了三种基因型甘蓝型油菜中同源基因对的偏倚表达,DNA甲基化和组蛋白修饰水平。全面阐述了在异源二倍化中同源基因偏倚表达及其调控模式,不对称表观遗传修饰和代际传递规律。多组学联合解析了表观修饰在甘蓝油菜多倍化中对同源基因表达偏倚表达的调控机制。作者对高通量测序的完美联用和对组学数据充分挖掘在文章中展现的淋漓尽致,非常值得大家借鉴学习。

    

 

文献链接:https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.17621