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韓方普研究組在植物著絲粒研究中取得新進展

  著絲粒是染色體的重要組成部分,對染色體的正確分離起著重要作用。著絲粒區域重複序列的組成和排布在著絲粒結構和功能中的作用是著絲粒研究領域的難點和熱點,也是基因組測序組裝最難完成的染色體區域,最近人類兩條染色體著絲粒的詳細解析對我們植物染色體研究有很好的借鑒,如何精細進行植物著絲粒的序列和功能解析是我們的長期目標。 

 

  植物中不同物種雙著絲粒染色體和新著絲粒染色體的不斷發現,說明著絲粒區域大量的重複序列既不是其功能的充分條件也不是必要條件(Birchler and Han 2018; Liu et al., 2015)。以前認爲著絲粒的重複序列不進行轉錄,但越來越多的研究表明著絲粒區的轉錄産物參與調控基因組空間構象和細胞分裂等重要的生物學功能。在植物中,著絲粒區域存在豐富的反轉座子(Retrotransposon)和串聯重複序列(Satellite),這些序列的組成和排布方式不同,其産生的轉錄産物就會有差異,調控過程也更複雜,因此,系統揭示著絲粒結合RNA在基因組進化和染色質組裝中的潛在功能,具有重要的科學意義。 

 

  中國科學院遗传與发育生物学研究所韩方普研究组长期从事植物染色体生物学的研究。前期在玉米著絲粒區特異反轉座子CRM1中鑒定到了3類環狀 RNA功能研究發現CRM1來源的環狀RNA通過R-loop結構結合在著絲粒區域,來調節染色質構象,從而影響著絲粒區特異組蛋白CENH3定位。(Liu etal 2020. PLOS Biology) 

 

  爲了進一步理解R-loop結構在著絲粒區重複序列上的分布特征,該研究組利用ssDRIP-seq技術首次開展了玉米全基因組R-loop圖譜的繪制。從基因和染色體水平揭示了玉米 R-loop 的分布特征:(1) 從基因水平來看,正義R-loop主要集中在基因的啓動子和轉錄終止位點,而反義R-loop主要集中在基因的轉錄起始位點。R-loopRNA-seq關聯分析發現,含有反義R-loop基因的表達量要顯著高于不含有R-loop的基因以及只含有正義R-loop基因的表達量。(2)在染色體水平上,R-loop呈現著絲粒和近著絲粒區富集的分布特征,推測 R-loop 可能在維持著絲粒功能和近著絲粒區異染色質化方面發揮重要作用。爲了進一步明確著絲粒區介導R-loop形成的序列,分析了著絲粒區特異反轉座子CRM1CRM2R-loop的分布,結果表明:CRM1CRM2上靠近5LTR下遊區域極易形成 R-loop,通過比较表达序列标签(EST)CRM1CRM2上的分布模式,發現R-loop能够與EST共定位,說明CRM1CRM2在著絲粒區活躍轉錄,並且在轉錄起始位點形成豐富的R-loop結構。此外通過体外转录结合原子力显微镜成像,观察到了CRM1CRM2上形成的R-loop結構。進一步分析著絲粒區的R-loopCENH3核小體的分布關系,結果顯示R-loop傾向在CENH3核小體的位置形成,推測 R-loop 結構可能作爲一種表觀標記介導CENH3 在著絲粒區的定位。這些結果爲著絲粒結構和功能研究提供了新的視角。 

 

  該論文于202179日在線發表于Genome ResearchDOI:10.1101/gr.275270.121),韓方普研究組已畢業博士研究生劉陽、博士研究生劉倩和蘇漢東博士爲該文章的共同第一作者,韓方普研究員爲通訊作者。本項工作得到了中科院物理所李偉實驗室在原子力顯微鏡成像以及清華大學孫前文實驗室在ssDRIP-seq實驗方面的幫助。該研究得到國家自然科學基金重點國際合作項目和基金委重點項目的資助。 

    

  圖:原子力顯微鏡觀察CRM1CRM2上形成的R-loop結構