Nature Plants | 翟继先/邓娴合作解析拟南芥着丝粒、端粒和rDNA簇的表观遗传特征

责编 | 王一

近日，南方科技大学生命科学学院生物系翟继先团队与中科院遗传发育所曹晓风课题组青年研究员邓娴合作在Nature Plants上发表了题为Single-molecule Targeted Accessibility and Methylation Sequencing of Centromeres, Telomeres, and rDNAs in Arabidopsis的研究论文。研究团队开发了能够检测植物中异染色质区域的染色质可及性（chromatin accessibility）和DNA甲基化（DNA methylation）的STAM-seq (Single-molecule Targeted Accessibility and Methylation Sequencing)技术，并利用该方法对拟南芥野生型和DNA甲基化突变体中高度重复的着丝粒、端粒和45s rDNA区域的染色质可及性和DNA甲基化进行了系统研究。

作者通过使用外源的甲基转移酶EcoGII处理细胞核，将染色质开放区域的A标记为6mA。结合ONT（Oxford Nanopore Technologies）平台的选择性测序（Adaptive sampling）功能，能够在测序过程中实时对基因组目标区域的分子进行选择，极大地提高了目标区域的测序覆盖度。在此基础上，作者开发了STAM-seq技术，实现在拟南芥中同时检测基因组高度重复区域的染色质开放程度和DNA甲基化水平。与全基因组测序相比，选择性测序在高度重复区域增加了4.8倍的覆盖度，且染色质可及性和DNA甲基化与二代测序结果高度一致。

图1 (a) STAM-seq的建库测序流程。开放染色质用6mA甲基转移酶标记。在测序过程中，采用纳米孔选择性采样对高度重复区序列进行富集。6mA和5mC的修饰可以通过碱基识别在同一分子内检测到。(b) 有和没有进行选择性测序的数据覆盖度的比较，目标区域包括着丝粒(蓝色)、端粒(粉红色)和45S rDNA(绿色)。

对着丝粒区域表观特征分析发现，着丝粒区的染色质开放程度具有链特异性。与CEN180方向一致的链（正链）上染色质开放程度较高，而CG和CHH甲基化的水平较低。之前报道表明，着丝粒CEN180重复区域被ATHILA转座子插入。作者发现与周围的CEN180重复区相比，ATHILA区域的染色质开放程度较低，而CHG甲基化较高。

图2 着丝粒区链特异性的染色质开放程度与DNA甲基化水平。

随后，作者通过表观遗传修饰的差异对基因组上的45S rDNA unit进行区分，发现45S rDNA上的甲基化和可及性之间呈负相关的关系。在端粒区域的研究中，作者观察到端粒区的染色质开放程度和CHH甲基化水平较近端粒区低，且在亚端粒区，G-rich链比C-rich链具有更高的DNA甲基化水平。此外，拟南芥CG与non-CG甲基化丢失的突变体met1和ddcc中，在高度重复区均显示更高的染色质可及性，这与DNA甲基化维持植物异染质状态的作用一致。

图3 区分的45s rDNA units，不同unit表观特征有明显差异。

图4 链特异性的端粒区与近端粒区的表观遗传特征。

中国科学院遗传发育所青年研究员邓娴和南方科技大学翟继先研究员为该论文的通讯作者。莫伟鹏博士和束艺同学为该论文共同第一作者。中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风研究员、李彤博士，翟继先课题组的博士生刘波，研究副教授龙艳萍也参与了该研究工作。该研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、中国科学院青年创新促进会、广东省创新创业团队、深圳市科创委以及广东省植物细胞工厂分子设计重点实验室基金的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-023-01498-7