郎曌博等团队合作揭示麦类特异转座子重塑小麦环境适应调控网络

超过 80% 的小麦基因组由转座因子 (TE) 组成，它们是小麦基因组进化的主要驱动力之一。然而，它们对小麦适应的调节进化的贡献在很大程度上仍不清楚。

2021年9月9日，复旦大学张一婧，中国科学院分子植物科学卓越创新中心/上海植物逆境生物学研究中心郎曌博，中国科学院遗传与发育生物学研究所薛勇彪及南京农业大学张文利共同通讯在Genome Research 在线发表完成的题为“Evolutionary rewiring of the wheat transcriptional regulatory network by lineage-specific transposable elements”的研究论文，该研究通过利用小麦中的 DAP-seq 以及表观基因组谱，为 53 个转录因子 (TF) 的环境响应创建了基因组结合图谱。大多数位于基因远端的 TF 结合位点 (TFBS) 都嵌入在 TE 中，其功能相关性得到了纯化选择和活跃的表观基因组特征的支持。大约 24% 的非 TE TFBS 与嵌入 TE 的 TFBS 具有显著高的序列相似性。这些非 TE TFBS 在非小麦科物种中几乎没有同源序列，并且可能来自小麦科特定的 TE。TE 衍生的 TFBS 的扩展与小麦特异性基因反应相关。总而言之，TE 一直在显著且持续地塑造与小麦基因组进化和适应相关的调控网络。

另外，2021年7月27日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心上海植物逆境生物学研究中心的郎曌博团队在Plant Journal 在线发表题为“MSI4/FVE is required for accumulation of 24-nt siRNAs and DNA methylation at a subset of target regions of RNA-directed DNA methylation”的研究论文，该研究报告了数千个 RdDM 目标区域的 DNA 甲基化需要 FVE。此外，FVE 的功能障碍显著减少了 24nt siRNA 的积累，这取决于 RdDM 途径中的下游因素。通过使用染色质免疫沉淀和测序 (ChIP-seq)，表明 FVE 直接与 FVE 依赖的 24-nt siRNA 簇区域结合。该研究结果还表明，FVE 可能通过与 RdDM 通路下游因子 RDM15 的物理相互作用在 RdDM 中起作用。因此，该研究表明FVE 通过与 RDM15 相关联，直接调节一部分 RdDM 靶标的 DNA 甲基化和 siRNA 积累。

2021年6月7日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心上海植物逆境生物学研究中心郎曌博研究组和南方科技大学杜嘉木研究组合作在Nature Communications 在线发表题为“A histone H3K4me1-specific binding protein is required for siRNA accumulation and DNA methylation at a subset of loci targeted by RNA-directed DNA methylation”的研究论文，该研究通过遗传筛选和功能鉴定发现了一个新的RdDM途径蛋白RDM15。该蛋白为组蛋白H3K4me1的阅读器，并揭示其参与RdDM途径的分子机制。

DNA甲基化是一种保守的表观遗传修饰，对基因表达和基因组稳定性至关重要。RNA介导的DNA甲基化（植物RdDM途径）是植物小RNA参与表观调控的重要方式，其需要两个植物特有的RNA聚合酶Pol IV（大亚基NRPD1为催化核心）和Pol V（大亚基NRPE1为催化核心）以及大量的辅助蛋白。RdDM可以在转录水平抑制转座子和基因，并参与到植物生物和非生物胁迫、植株再生、植物生长和果实成熟发育等生物学调控过程。

在本研究中，科研人员通过全基因组甲基化测序以及差异甲基化区域(DMRs) 分析发现，开花调控基因FVE能够影响部分RdDM通路调控位点的DNA甲基化水平。siRNA测序以及差异表达区域的分析说明FVE参与RdDM通路siRNA的调控，尤其是下游siRNA的累积。qRT-PCR实验分析说明FVE影响 PolV转录本的转录水平。此外FVE调节DNA甲基化水平的变化伴随着相同趋势的siRNA水平的变化。染色体免疫沉淀测序试验（ChIP-seq）进一步说明FVE倾向于结合RdDM通路下游调控位点，进而调节DNA甲基化。

另外，虽然RdDM途径跟组蛋白修饰之间的相互关系已经有了深入的研究，但是现有的分子机制并不能完全阐述组蛋白修饰跟RdDM作用位点的调控关系。中国科学院分子植物科学卓越创新中心上海植物逆境生物学研究中心郎曌博研究组和南方科技大学杜嘉木研究组合作通过正向遗传学筛选到了参与基因沉默的突变体，通过克隆发现是具有Tudor domain的基因RDM15功能缺失造成的。通过甲基化测序和DMR的分析发现，RDM15影响的甲基化位点是RdDM作用位点。该工作发现了一个新的H3K4me1识别蛋白RDM15，其通过招募Pol V来参与RNA介导的DNA甲基化过程的新机制。

通过FVE的免疫沉淀和质谱联用（IP-MS）IP-MS实验分析发现FVE与RDM15蛋白能够相互作用，通过酵母双杂交实验（Y2H）和Split-LUC实验进一步确认了二者的互作关系。利用RDM15的全基因甲基化数据以及DMR分析，证明FVE和RDM15共同调节部分RdDM位点的DNA甲基化水平。FVE与RDM15的研究分析进一步确认FVE参与RdDM通路下游功能调节的分子机制。

来源： iNature