Plant Cell | 北京大学刘启昆课题组揭示核小体排布方式改变引起基因弹性表达的表观遗传调控机制

责编 | 王一

作为一种重要的表观遗传标记，DNA甲基化修饰为植物抑制转座子和基因表达活性、维持基因组稳定性所必须。然而灵活的基因表达是植物响应环境变化的必要手段。如何平衡上述二者之间的关系对植物生存具有重要意义。

近日，北京大学现代农学院刘启昆课题组在The Plant Cell在线发表了题为DDT-RELATED PROTEIN4–IMITATION SWITCH alters nucleosome distribution to relieve transcriptional silencing in Arabidopsis的研究论文，发现了基于核小体排布方式改变引起基因弹性表达的表观遗传调控机制。

为了探究植物在维持DNA甲基化稳定性前提下，控制基因弹性表达的分子机制，此前刘启昆课题组在拟南芥morc-1突变体背景下建立了携带有SDC:GFP转基因报告系统的遗传体系，导致原本受DNA甲基化修饰而表达沉默的SDC:GFP报告基因产生弹性表达。利用这一特殊的遗传背景，刘启昆课题组通过遗传筛选发现DDR4-ISWI染色质重塑复合体的功能为上述基因弹性表达行为所必须。

进一步实验表明，这种基因转录水平的弹性表达通常伴随着基因所在位点附近核小体排布方式的改变。通过基因靶向技术将DDR4-ISWI染色质重塑复合体靶向结合到FWA基因启动子的DNA甲基化区域，证明原本沉默的FWA也可发生弹性表达，虽然此弹性表达的强度远低于擦除DNA甲基化带来的转录激活效应。

实验中遇到的一大挑战是了解DDR4-ISWI的全基因组结合位点，获得其调控核小体排布的直接证据。但课题组多次尝试均无法获得成功。为了解决这一困难，课题组将DDR4与锌指蛋白融合，并发现了数千个由于锌指蛋白脱靶效应导致的DDR4异位结合位点。由于所有DDR4异位结合位点均具有锌指结合基序的近源序列（长度18-nt），相较常规的ChIP-seq这大大提高了DDR4结合位点的定位精度。将上述结合位点与MNase-seq，Whole-genome bisulfite sequencing，以及转录组数据进行多组学联合分析发现DDR4-ISWI的染色质结合可引起核小体排布的波浪式周期性重置，虽然绝大多数发生核小体排布重置的区域并不引起基因转录或DNA甲基化修饰的改变，那些发生转录和DNA甲基化修饰改变的区域通常伴随着核小体的重置，暗示DDR4-ISWI染色质结合的直接影响是核小体排布的改变，而转录水平的变化很可能是间接效应。

DDR4-ISWI的作用机制模式图

综上，该研究基于报告基因的遗传筛选，发现了基于核小体排布方式改变引起基因弹性表达的表观遗传调控机制。虽然这一机制并非DNA甲基化修饰位点所特有，它为植物响应环境变化平衡基因组稳定性和基因表达灵活性的方式提供了一种可能的解释。

北京大学现代农学院研究员刘启昆为论文的通讯作者，北大博雅博士后张启燕博士和博士生王泽家为论文的共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、北京大学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的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koad146