大家好，這里是專注表觀組學(xué)十余年，領(lǐng)跑多組學(xué)科研服務(wù)的易基因。

轉(zhuǎn)座元件（transposable elements,TEs）是基因組中能夠移動和復(fù)制的重復(fù)序列，其活動通常對宿主生物有害，因此被宿主嚴(yán)格調(diào)控。然而，TEs的活動在進化中也扮演了重要角色，例如通過為附近基因提供遺傳或表觀遺傳調(diào)控模塊來影響轉(zhuǎn)錄程序。TEs沉默通常與高DNA甲基化相關(guān)，而在植物中，TEs的甲基化可以發(fā)生在CG、CHG和CHH三種序列環(huán)境中，并與組蛋白H3K9二甲基化（H3K9me2）耦合，這兩種表觀遺傳標(biāo)記共同抑制TEs的表達和轉(zhuǎn)座，從而保證基因組完整性。另一方面，H3K27me3與基因轉(zhuǎn)錄抑制相關(guān)，通常與發(fā)育、生殖或代謝和應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)的蛋白編碼基因有關(guān)。盡管H3K27me3和DNA甲基化通常被認為是互斥的系統(tǒng)，分別特異性靶向基因和TEs的轉(zhuǎn)錄沉默，但有研究表明在某些情況下，這兩種標(biāo)記可以共存并協(xié)同作用。

近日，法國巴黎薩克雷大學(xué)細胞綜合生物學(xué)研究所Angélique Déléris團隊以模式生物擬南芥為研究對象，研究了植物中轉(zhuǎn)座元件（TEs）的表觀遺傳沉默機制，特別是與H3K27me3（組蛋白H3K27三甲基化）相關(guān)的沉默狀態(tài)。研究結(jié)果揭示了在野生型擬南芥中，許多TEs可以被H3K27me3單獨靶向并沉默（而不依賴DNA甲基化沉默機制）。此外，研究還發(fā)現(xiàn)了TEs在不同擬南芥自然生態(tài)型之間存在表觀遺傳狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，即從DNA甲基化到H3K27me3的相互轉(zhuǎn)換，這一現(xiàn)象被稱為“bifrons”。相關(guān)研究成果以“Alternative silencing states of transposable elements in Arabidopsis associated with H3K27me3”為題發(fā)表于《Genome Biology》（IF：10.1）期刊。

標(biāo)題：Alternative silencing states of transposable elements in Arabidopsis associated with H3K27me3（擬南芥中與 H3K27me3 相關(guān)的轉(zhuǎn)座因子可變沉默狀態(tài)）

發(fā)表時間：2025-01-20

期刊：Genome Biology

影響因子：IF10.1/Q1

技術(shù)平臺：ChIP-seq、BS（易基因金牌技術(shù)）

研究摘要

DNA/H3K9甲基化和Polycomb蛋白組（Polycomb-group，PcG）-H3K27me3沉默通路長期以來被認為在哺乳動物、植物和真菌中是互斥的，并且分別特異性地作用于轉(zhuǎn)座元件（TEs）和基因。但即使在DNA/H3K9甲基化機制缺失情況下，許多TEs仍然可以被H3K27me3靶向，有時甚至與DNA甲基化共存。

本研究結(jié)果揭示了在野生型擬南芥植物中，TEs也可以被H3K27me3單獨靶向并沉默。這些被H3K27me3標(biāo)記的TEs不僅包括退化殘跡，還包括看似完整的拷貝，它們顯示出響應(yīng)性PcG靶基因的表觀遺傳特征以及活躍的H3K27me3調(diào)控。同時，H3K27me3可以以TE特異性方式沉積在新插入的轉(zhuǎn)基因TE序列上，表明沉默由順式（ cis）作用決定。最后通過比較擬南芥的自然生態(tài)型發(fā)現(xiàn)了一類TEs（稱為“bifrons”），它們的標(biāo)記取決于生態(tài)型，要么被DNA甲基化標(biāo)記，要么被H3K27me3標(biāo)記。這種差異可以追溯到TEs的內(nèi)在特征以及反式作用因子，并揭示TEs在其生命周期中表觀遺傳狀態(tài)變化。

總之，本研究揭示了開花植物中與H3K27me3相關(guān)的可變TE沉默模式，同時還表明了在物種水平上兩種表觀遺傳標(biāo)記（DNA甲基化和H3K27me3）之間存在動態(tài)轉(zhuǎn)換，這一新的范式可能擴展到其他多細胞真核生物。

研究方法

（1）ChIP-seq技術(shù)：檢測H3K27me3在TEs上的分布情況。

（2）BS技術(shù)：用于分析TEs的DNA甲基化水平。

結(jié)果圖形

（1）在野生型擬南芥植物中，許多TE只由H3K27me3標(biāo)記

研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥基因組中有超過4000個TEs被H3K27me3標(biāo)記，這些TEs不僅包括退化的殘跡，還包括看似完整的拷貝。這些TEs顯示出與響應(yīng)環(huán)境或發(fā)育信號的經(jīng)典PcG靶基因相似的染色質(zhì)特征，其H3K27me3模式受到組蛋白H3K27去甲基化酶的積極調(diào)控。

根據(jù)H3K27me3和DNA甲基化的覆蓋長度，將TEs分為四類。其中，“class 3”僅被H3K27me3標(biāo)記，占TE總數(shù)的15%，但僅占TE堿基的8.4%。這些TEs傾向于分布在短TE類別中（尤其是小于1kb的TE），而長TEs（大于3.5kb）通常與DNA甲基化相關(guān)，盡管一小部分長TEs（大于3.5kb）僅被H3K27me3標(biāo)記。

這些TEs在基因組中的分布與DNA甲基化的TEs不同，它們不僅存在于異染色質(zhì)區(qū)域，還分散在常染色質(zhì)臂和近著絲粒區(qū)域。

圖1：在野生型擬南芥（Col-0）中，許多轉(zhuǎn)座元件（TEs）被H3K27me3標(biāo)記。

1. 代表性基因組瀏覽器視圖顯示野生型Col-0中兩個被H3K27me3標(biāo)記的TEs的H3K27me3（紅色）、DNA甲基化（灰色）和組成型異染色質(zhì)組蛋白變體H2A.W（灰色）水平。

2. 基于表觀遺傳修飾的TE分類的維恩圖。當(dāng)CG甲基化在TE長度上的平均值＞50%時，TE被定義為“DNA甲基化”（類別1-2）。當(dāng)H3K27me3 peaks至少覆蓋TE長度的20%時，TE被定義為處于H3K27me3狀態(tài)。

3. 按TE長度分類的TE類別的分布堆疊條形圖。

4. 對大于3.5 kb的TE進行LTR Copia預(yù)測結(jié)構(gòu)域數(shù)量箱線圖，ns=不顯著。

5. 顯示大于3.5 kb的TE在基因組中分布示意圖。

6. 按TE長度分類的所有TEs或H3K27me3標(biāo)記的TEs的TE超家族分布堆疊條形圖。

7. 顯示TE亞家族成員被H3K27me3標(biāo)記的百分比與TE拷貝數(shù)量之間的相關(guān)性圖。

8. 基于每個TE拷貝的H3K27me3水平的熱圖。上圖：ATCOPIA12；下圖：ATCOPIA48。

（2）H3K27me3標(biāo)記的TEs具有沉默且響應(yīng)的基因表觀遺傳特征，其轉(zhuǎn)錄受PcG抑制

H3K27me3標(biāo)記的TEs中有23%和22%分別含有H2A.Z或H2AK121ub標(biāo)記，這些標(biāo)記通常與動態(tài)轉(zhuǎn)錄抑制基因相關(guān)。這表明這些TEs具有沉默但可響應(yīng)的基因特征。

在arp6（H2A.Z沉積缺失）和atbmi（H2AK121ub沉積缺失）突變體中，部分TEs的H3K27me3水平降低，表明H3K27me3的沉積依賴于H2A.Z和H2AK121ub。此外，在ref6 elf6 jmj13三重突變體中，許多H3K27me3標(biāo)記的TEs顯示出更高的H3K27me3水平，表明這些TEs的H3K27me3模式受組蛋白去甲基化酶調(diào)控。

在swn clf PRC2雙突變體中，約2/3的H3K27me3標(biāo)記的TEs顯著上調(diào)，表明H3K27me3在擬南芥中可以轉(zhuǎn)錄抑制TEs表達。

圖2：H3K27me3在TEs上可與H2AUb和H2A.Z相關(guān)聯(lián)，表現(xiàn)出活躍的去甲基化和轉(zhuǎn)錄抑制。

1. 堆疊條形圖顯示在H3K27me3標(biāo)記的TEs中，按大小范圍分類的被H2A.Z變體或H2AK121泛素化標(biāo)記TEs的分布情況。如果一個TE同時存在H3K27me3和H2A.Z或H3K27me3和H2AK121ub的峰重疊，則該TE被認為共標(biāo)記。

2. 維恩圖顯示在大于3.5 kb的TEs上H3K27me3、H2A.Z變體和H2AK121ub的存在情況。

3. 代表性基因組瀏覽器視圖展示來自第3類（被H3K27me3標(biāo)記）的2個TEs的ChIP-seq數(shù)據(jù)，顯示了野生型（WT）中的H2AK121ub（淺綠色）、H2A.Z（深綠色）和H3K27me3（紅色）標(biāo)記。

4. Metagenes圖顯示了在WT和arp6突變體（該突變體在H2A.Z摻入受影響的TE亞集中存在缺陷）中H3K27me3（上圖）和H2A.Z（下圖）的水平。

5. Metagenes圖顯示了在WT和atbmi1a/b/c突變體（該突變體在H2AK121ub沉積受影響的TE亞集中存在缺陷）中H3K27me3（上圖）和H2AK121ub（下圖）的水平。

6. Metagenes圖顯示了在WT和ref6 elf6 jmj13三重H3K27me3去甲基化酶突變體中H3K27me3的水平。左側(cè)圖表示在WT中已被H3K27me3標(biāo)記但在ref6 elf6 jmj13中該標(biāo)記增加的TEs。右側(cè)圖表示在WT中未被H3K27me3標(biāo)記但在ref6 elf6 jmj13中該標(biāo)記顯現(xiàn)的TEs。

7. 代表性基因組瀏覽器視圖展示了來自第3類的2個TEs在野生型和ref6 elf6 jmj13中的H3K27me3（紅色）標(biāo)記。

8. 代表性瀏覽器視圖展示TE在野生型和swn clf雙突變體中的H3K27me3（紅色）和RNA（藍色）。

9. 箱線圖顯示與野生型相比，在swn clf雙突變體中顯著上調(diào)的第3類TEs（4656個中有3161個）。

（3）H3K27me3標(biāo)記以順式?jīng)Q定方式被招募到新插入的轉(zhuǎn)基因TEs上

通過將三個不同的COPIA LTR逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子序列克隆到二元載體中，并將其插入植物基因組，研究新插入的TEs是否能夠招募H3K27me3。結(jié)果表明，這些新插入的TEs能夠以序列特異性的方式招募H3K27me3，表明H3K27me3的招募依賴于TE序列本身的內(nèi)在特征。

圖3：新插入的TE序列可以以一種指導(dǎo)性的方式從頭招募H3K27me3。

1. 實驗方案：將單個TE序列克隆到二元載體中，將其引入植物基因組，并在T1代的大規(guī)模植株群體（15-20株）中通過H3K27me3 ChIP-seq進行研究，以稀釋位置效應(yīng)。

2. 左側(cè)圖：代表性基因組瀏覽器視圖顯示在兩個獨立的植物群體中，H3K27me3的平均分布（IP-INPUT）在COPIA12B序列（頂部圖）上，這些植物要么被轉(zhuǎn)化了無關(guān)的轉(zhuǎn)基因（Ctrl），要么被轉(zhuǎn)化了感興趣的TE。在“Ctrl”軌跡中的H3K27me3信號反映內(nèi)源TE的H3K27me3狀態(tài)。在“Tr.”軌跡中的H3K27me3信號反映內(nèi)源+轉(zhuǎn)基因的H3K27me3狀態(tài)：與對照線相比更高的信號表明除了內(nèi)源基因外，轉(zhuǎn)基因TE上也招募了H3K27me3。轉(zhuǎn)基因群體之間的變異性反映了轉(zhuǎn)基因TE拷貝數(shù)的差異。中間圖：UBQ和FLC分別作為H3K27me3招募的陰性和陽性對照。右側(cè)圖：通過在引入SNP的區(qū)域?qū)?nèi)源和轉(zhuǎn)基因COPIA12B序列進行H3K27me3免疫沉淀的定量來確定轉(zhuǎn)基因上的招募。

3. 左、中和右圖與B中的COPIA21序列相同。

（4）群體水平上的TE中在DNA甲基化和Polycomb標(biāo)記之間轉(zhuǎn)換

通過比較擬南芥不同自然生態(tài)型（如Col-0和KBS-Mac-74）的H3K27me3和DNA甲基化數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)存在一類TEs（稱為“bifrons”），其在不同生態(tài)型中表現(xiàn)出表觀遺傳狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，即從DNA甲基化到H3K27me3或反之。

圖4：通過不同生態(tài)型之間的比較，可視化TEs上沉默表觀遺傳標(biāo)記之間的轉(zhuǎn)換。

1. 維恩圖顯示在兩種不同生態(tài)型（Col-0和KBS-Mac-74）中，被H3K27me3標(biāo)記的TEs（頂部，紅色數(shù)字）和被DNA甲基化標(biāo)記的TEs（底部，灰色數(shù)字）。兩個維恩圖的交集顯示了在一種生態(tài)型中被H3K27me3標(biāo)記而在另一種生態(tài)型中被H3K9me2標(biāo)記的TEs（107個）。

2. 盒須圖顯示在Col-0和KBS-Mac-74中，八個不同TE簇的H3K9me2水平（以RPKM表示）和H3K27me3水平。

3. 代表性基因組瀏覽器視圖顯示在Col-0和KBS-Mac-74兩個生態(tài)型中，一個同源TE拷貝的H3K27me3和DNA甲基化水平（紅色：H3K27me3，深灰色：CG甲基化，灰色：CHG甲基化，淺灰色：CHH甲基化，黑色條：TE注釋）。

（5）某些TEs上H3K27me3的沉積與TE的順式?jīng)Q定因子以及反式作用因子在遺傳上相關(guān)

通過對近500個擬南芥自然生態(tài)型的DNA甲基化數(shù)據(jù)進行全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS），發(fā)現(xiàn)TEs的表觀遺傳狀態(tài)轉(zhuǎn)換與TE序列本身（cis-determinants）以及參與DNA甲基化的轉(zhuǎn)錄因子（trans factors）相關(guān)。

圖5：表觀遺傳轉(zhuǎn)換的遺傳決定因子。

1. 圖表顯示了一個同源TE，即COPIA12D（AT5TE36920）的DNA甲基化值，以及在三個序列環(huán)境中（CG、CHG和CHH）的甲基化密度分布情況。

2. 曼哈頓圖展示了靶向COPIA12D（AT5TE36920）的單變量全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）結(jié)果，分別為mCG（上圖）、mCHG（中圖）和mCHH（下圖）。水平線表示全基因組顯著性水平。黃色框表示與DNA甲基化相關(guān)的反式作用因子的峰值，粉色框表示TE的順式區(qū)域。

3. 130個不同生態(tài)型中AT5TE36920序列的系統(tǒng)發(fā)育樹。右側(cè)標(biāo)示了遺傳距離。紅色加粗的生態(tài)型表示COPIA12D無DNA甲基化，被認為被H3K27me3標(biāo)記。黑色的生態(tài)型表示COPIA12D存在DNA甲基化?；疑纳鷳B(tài)型表示沒有關(guān)于COPIA12D表觀遺傳狀態(tài)的信息。

易小結(jié)

本研究揭示了通過ChIP-seq等技術(shù)擬南芥中TEs的一種與H3K27me3相關(guān)的可變沉默機制。此外，研究還發(fā)現(xiàn)了TEs在物種水平上表觀遺傳狀態(tài)的動態(tài)轉(zhuǎn)換，這一現(xiàn)象可能擴展到其他多細胞真核生物。這些發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)觀念，即擬南芥TEs僅通過DNA甲基化進行沉默，并為理解TEs在進化中的作用提供了新的視角。

ChIP-seq和BS測序技術(shù)在本研究中的作用

ChIP-seq技術(shù)：用于檢測H3K27me3在TEs上的分布情況，揭示了TEs的表觀遺傳特征以及H3K27me3與H2A.Z和H2Aub的共定位。通過ChIP-seq，研究人員鑒定出哪些TEs被H3K27me3標(biāo)記，并分析這些標(biāo)記的動態(tài)變化。

BS技術(shù)：用于分析TEs的DNA甲基化狀態(tài)，與ChIP-seq數(shù)據(jù)相結(jié)合，幫助研究人員理解TEs的表觀遺傳狀態(tài)轉(zhuǎn)換。通過亞硫酸鹽測序，研究人員能夠確定TEs在不同生態(tài)型中DNA甲基化差異，從而揭示表觀遺傳狀態(tài)轉(zhuǎn)換的分子基礎(chǔ)。

關(guān)于易基因染色質(zhì)免疫共沉淀測序 (ChIP-seq)

染色質(zhì)免疫共沉淀（Chromatin Immunoprecipitation,ChIP），是研究體內(nèi)蛋白質(zhì)與DNA相互作用的經(jīng)典方法。將ChIP與高通量測序技術(shù)相結(jié)合的ChIP-Seq技術(shù)，可在全基因組范圍對特定蛋白的DNA結(jié)合位點進行高效而準(zhǔn)確的篩選與鑒定，為研究的深入開展打下基礎(chǔ)。

DNA與蛋白質(zhì)的相互作用與基因的轉(zhuǎn)錄、染色質(zhì)的空間構(gòu)型和構(gòu)象密切相關(guān)。運用組蛋白特定修飾的特異性抗體或DNA結(jié)合蛋白或轉(zhuǎn)錄因子特異性抗體富集與其結(jié)合的DNA片段，并進行純化和文庫構(gòu)建，然后進行高通量測序，通過將獲得的數(shù)據(jù)與參考基因組精確比對，研究人員可獲得全基因組范圍內(nèi)某種修飾類型的特定組蛋白或轉(zhuǎn)錄因子與基因組DNA序列之間的關(guān)系，也可對多個樣品進行差異比較。

應(yīng)用方向：

ChIP 用來在空間上和時間上不同蛋白沿基因或基因組定位

• 轉(zhuǎn)錄因子和輔因子結(jié)合作用

• 復(fù)制因子和 DNA 修復(fù)蛋白

• 組蛋白修飾和變異組蛋白

技術(shù)優(yōu)勢：

• 物種范圍廣：細胞、動物組織、植物組織、細菌微生物多物種富集經(jīng)驗；

• 微量建庫：只需5ng以上免疫沉淀后的DNA，即可展開測序分析；

• 方案靈活：根據(jù)不同的項目需求，選擇不同的組蛋白修飾特異性抗體。

技術(shù)路線：

關(guān)于植物DNA甲基化研究

（1）植物中的DNA甲基化

對于植物而言，面對生長環(huán)境的改變，表觀遺傳的變異會改變植物DNA的構(gòu)象，從而改變?nèi)旧|(zhì)和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，達到調(diào)節(jié)基因組的作用。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植物面臨生物脅迫和非生物脅迫時，植物基因組中DNA甲基化會發(fā)生改變，并且這些改變會遺傳給后代。所以DNA甲基化的改變能夠豐富植物物種的多樣性，加強植物的環(huán)境適應(yīng)性。

不同于哺乳動物基因組只有CG甲基化，植物基因組甲基化有CG，CHG，CHH（H代表任何非G的堿基）甲基化。而維持這三種不同的DNA甲基化的分子機制非常復(fù)雜。

（2）植物中的DNA甲基化研究技術(shù)

（3）植物DNA甲基化研究思路

植物DNA甲基化一般遵循三個步驟進行數(shù)據(jù)挖掘。首先，進行整體全基因組甲基化變化的分析，包括平均甲基化水平變化、甲基化水平分布變化、降維分析、聚類分析、相關(guān)性分析等。其次，進行甲基化差異水平分析，篩選具體差異基因，包括DMC/DMR/DMG鑒定、DMC/DMR在基因組元件上的分布、DMC/DMR的TF結(jié)合分析、時序甲基化數(shù)據(jù)的分析策略、DMG的功能分析等。最后，將甲基化組學(xué)&轉(zhuǎn)錄組學(xué)關(guān)聯(lián)分析，包括Meta genes整體關(guān)聯(lián)、DMG-DEG對應(yīng)關(guān)聯(lián)、網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)等。

易基因提供全面的表觀基因組學(xué)（DNA甲基化、DNA羥甲基化、cfDNA）和表觀轉(zhuǎn)錄組學(xué)（m6A、m5C、m1A、m7G、ac4C、RNA與蛋白互作）、DNA與蛋白互作及染色質(zhì)開放性技術(shù)方案（ChIP-seq、ATAC-seq），詳詢易基因：0755-28317900。

參考文獻：Hure, V., Piron-Prunier, F., Yehouessi, T. et al. Alternative silencing states of transposable elements in Arabidopsis associated with H3K27me3. Genome Biol 26, 11 (2025). https://doi.org/10.1186/s13059-024-03466-6

相關(guān)閱讀：

1. 項目文章 | ChIP-seq等揭示糖皮質(zhì)激素和TET2共調(diào)控促進癌癥轉(zhuǎn)移的表觀遺傳機制

2. 項目文章 | Nat Commun：中南大學(xué)曾朝陽/熊煒/龔朝建團隊利用ChIP-seq等揭示頭頸鱗癌免疫逃逸機制

3. 項目文章 | ChIP-seq等揭示糖皮質(zhì)激素和TET2共調(diào)控促進癌癥轉(zhuǎn)移的表觀遺傳機制

4. 項目文章：ChIP-seq等揭示人畜共患寄生蟲弓形蟲的蛋白質(zhì)乳酸化和代謝調(diào)控機制

5. 項目集錦 | 易基因近期染色質(zhì)免疫共沉淀測序（ChIP-seq）研究成果

6. 項目文章 | NAR：ChIP-seq等揭示蛋白質(zhì)?；cc-di-GMP協(xié)同調(diào)控放線菌發(fā)育與抗生素合成機制

7. 項目文章｜Plant Physiol：鄭州果樹所王力榮團隊ChIP-seq等揭示桃樹需冷量和芽休眠調(diào)控的關(guān)鍵基因

8. DNA甲基化修飾整體研究方案

9. DNA與蛋白質(zhì)互作及染色質(zhì)開放性研究方案

10. RNA甲基化修飾整體研究方案

11. 游離細胞DNA（cfDNA）檢測整體研究方案

12. 易基因特異性R-loop檢測整體研究方案

13. 技術(shù)推介 | 染色質(zhì)免疫共沉淀測序 (ChIP-seq)