南科大侯春晖课题组揭示基因组三维结构从头建立过程及形成机制
2021年06月17日 科研新闻 浏览量 :2060

近日,南方科技大学生命科学学院生物系副教授侯春晖课题组、陈永龙课题组联合华中农业大学教授李立和澳门大学教授Edwin Cheung课题组系统地揭示热带爪蟾胚胎发育过程中染色质三维构象动态变化及其建立的调控机制,并对热带爪蟾基因组进行了重新组装。相关成果以 “Three-dimensional folding dynamics of the Xenopus tropicalis genome”为题,在国际著名学术期刊Nature Genetics在线发表。

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真核生物染色质在有丝分裂间期折叠形成三维拓扑结构域(TAD,topologically associating domains),TAD结构相对稳定,在进化过程中较为保守。TAD 结构的建立和破坏会影响基因表达,当TAD结构发生异常时可能会影响正常基因表达,甚至导致肿瘤的发生。在胚胎发育过程中,染色质三维构象的建立为后期发育过程中染色质相互作用及基因表达调控提供了空间框架。

在以热带爪蟾为模型研究基因组三维结构时,团队人员发现热带爪蟾参考基因组9.1版本广泛存在着组装错误,通过三代测序并结合高通量染色体构象捕获技术(Hi-C),团队研究人员组装出更加完善的参考基因组。

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图1. 热带爪蟾基因组重新组装

在人类胚胎发育过程中转录对TAD的建立起到重要的作用。在爪蟾胚胎发育过程中敲低RPB1(RNAPII复合物最大亚基)会导致爪蟾胚胎发育延缓并在第十一期死亡,但并不影响TAD建立,不过RPB2(RNAPII复合物第二大亚基)在基因组内仍有结合;通过注射α-amanitin抑制受精卵转录,TAD建立仍未受到显著影响。这些结果表明转录和TAD建立的关系较为复杂,仍需进一步深入研究。

研究者还在爪蟾中证实CTCF和Rad21对于胚胎发育过程中TAD建立的必要性。研究人员发现敲低染色质重塑复合体ISWI中SNF2H ATPase会导致CTCF结合变弱,TAD结构消失,同时胚胎发育迟缓,50%胚胎在第十一期死亡。这些结果说明染色质重塑在染色质三维结构建立过程的上游起着关键的作用。


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图2. SNF2H敲低对TAD建立的影响

以往的研究表明哺乳动物不同组织细胞中TAD结构具有较高的保守性,但爪蟾大脑、肝脏和精子中的TAD结构差异巨大。两栖动物爪蟾精子不存在TAD结构,与哺乳动物人类的精子相似,但与另一哺乳动物小鼠精子不同,小鼠精子存在明显的TAD结构。这些结果揭示了在进化过程中,雄性配子染色质结构形成各有不同的机制,并不保守。

该项目由南方科技大学主导,华中农业大学和澳门大学等单位参与。侯春晖课题组已出站博士后牛龙见、华中农业大学博士生沈威和南科大-哈工大2018级联培博士生石照应为论文共同第一作者。侯春晖主持该项目的研究,李立、陈永龙和Edwin Cheung为共同通讯作者。该研究得到了科技部专项、国家自然基金委、深圳市科创委、澳门科技发展基金和华中农业大学的资金资助,以及南方科技大学超算中心的支持。南科大为论文第一单位。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41588-021-00878-z

供稿:生命科学学院

文字、图片:牛龙见、沈威、石照应

通讯员:付文卿

编辑:劳湘雯


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