拟南芥全基因组水平CHIP-seq分析揭示H3K27me3水平随四季变化

来源：植物科学最前沿

昼夜变化和季节更替是自然界两种主要的环境变化因素。目前，有机体主要是通过生物钟机制来适应自然界的昼夜交替，然而，目前关于适应季节性更替的长时期反应分子机制的研究结果还非常匮乏。

组蛋白H3第27位赖氨酸上三甲基化（H3K27me3）是一种抑制性组蛋白修饰，在发育过渡期赋予基因调控稳定性和可塑性。而组蛋白H3第4位赖氨酸上三甲基化（H3K4me3）是一种激活性的组蛋白修饰。是否植物的季节性更替与全基因组水平的组蛋白甲基化修饰之间存在着联系？近日，来自日本京都大学的Hiroshi Kudoh团队在Nature Plants上发表了题为“Seasonal plasticity and diel stability of H3K27me3 in natural fluctuating environments”的研究结果。该研究利用多年生的圆叶南芥（Arabidopsis halleri，匍匐二倍体植物，具有自交不亲性，有2n=16条染色体，基因组大小约为拟南芥的1.65倍，与其基因组在编码区内有94％的核苷酸相似性）的自然种群材料进行H3K27me3在全基因组水平上的季节性和昼夜性动态变化研究，并将其与H3K4me3的结果进行比较分析。染色质免疫沉淀测序（CHIP-seq）的结果表明，H3K27me3具有季节性的可塑性和昼夜性的稳定性。此外，研究者发现季节性的H3K27me3动态变化相对于H3K4me3动态变化具有一定的相位延迟，特别是与环境记忆相关的基因。总之，研究结果表明植物在适应自然界的环境波动的反应过程中产生出长期的基因表达趋势，该适应过程主要是由于H3K27me3具有监测过往转录活动的能力。

研究者对Arabidopsis halleri自然群体不同时间点的样本进行H3K27me3和H3K4me3的CHIP-seq分析。对于季节性的CHIP-seq分析，总共分析了一年内的12个不同的时间点，对于昼夜性的CHIP-seq分析，总共分析了两天内的8个不同时间点。具体结果如下，在具有季节性表达的基因中，H3K27me3和H3K4me3水平呈季节性变化，但无日波动；在某些基因上，H3K27me3或H3K4me3发生季节性变化；生物钟基因中的H3K27me3水平确实存在季节性变化，在这些基因中，H3K4me3水平呈昼夜变化，但季节性振幅较弱；对于大多数基因来说，H3K27me3的季节性振幅大于昼夜性振幅，这种趋势在H3K4me3中较弱；季节性与昼夜性振幅的比值在H3K27me3中要高于H3K4me3。这些结果表明H3K27me3在季节性上可塑性较大，在昼夜性上表现的比较稳定，而H3K4me3在季节性和昼夜性上均表现为较高的可塑性。同时，在大多数基因上，H3K27me3没有表现出短期的季节变化变化，而H3K4me3却表现出短期的变化（图1）。

研究者以三种标准（rpkm>2；FDR<0.05和P<0.05）来筛选具有H3K27me3和H3K4me3季节性变化的基因。在H3K27me3中，共发现了1804个季节性变化基因。其中在冬季H3K27me3积累较多的基因的GO分析发现主要富集在草食反应相关，这与冬季没有暴露在食草动物时的低反应性相一致。在H3K4me3中，共发现了1792个季节性变化基因。其中在冬季和夏季H3K4me3积累较多基因的GO分析发现分别富集在脱落酸和生物/非生物胁迫上。

研究者分析了季节变化对H3K27me3和H3K4me3基因表达的影响，发现H3K27me3和H3K4me3的季节动态分别与基因表达动态呈负相关和正相关。虽然，对于同时具有H3K27me3和H3K4me3的季节变化的大部分基因呈现的是负相关性，但许多基因的负相关并非绝对。对这一结果的一种可能解释是，H3K27me3和H3K4me3的季节变化可能具有相位差。为了分析H3K27me3和H3K4me3季节动态的相位差，研究者比较了H3K27me3最低和最高的时间点，发现相对于H3K4me3，大部分基因表现H3K27me3延迟变化。并且，H3K27me3动态变化相对于H3K4me3动态变化的延迟主要表现在与记忆特征相关的基因上。总之，对自然条件下基因组中的H3K27me3和H3K4me3动态变化模式分析显示出H3K27me3的主要功能之一调控季节性基因的动态表达。其中，H3K27me3在全基因组水平上调控着季节性基因的表达，以及在数周内发生的生物过程，如发育和肿瘤发生。

图1. H3K27me3和H3K4me3在全基因组水平下的季节性与昼夜性变化