ChIP-seq(組蛋白)揭示H3K36me修飾影響溫度誘導的植物可變剪接和開花
2017年，荷蘭瓦格寧根大學分子實驗室RGH Immink團隊以“Histone H3 lysine 36 methylation affects temperature-induced alternative splicing and flowering in plants”在《Genome Biology》雜志上發表研究文章，該研究通過染色質免疫共沉淀測序（ChIP-seq）和轉錄組測序（RNA-seq）揭示了H3K36me修飾對高溫誘導的擬南芥植物的可變剪接(Alternative splicing ,AS)和開花具有重要的調控作用。
標題：Histone H3 lysine 36 methylation affects temperature-induced alternative splicing and flowering in plants（H3K36me修飾影響溫度誘導的擬南芥可變剪接和開花）
發表期刊：Genome Biology
發表日期：2017年06月 01日
影響因子：17.906
技術：染色質免疫共沉淀測序（ChIP-seq）和RNA-seq
樣品：
背景和意義：
全球變暖嚴重影響植物的開花時間和繁殖成功率。mRNA前體的可變剪接(AS)是植物環境溫度控制反應的重要機制，但對其調控知之甚少。溫度升高通過改變關鍵調控基因的剪接促進了擬南芥植物形態的變化以及從營養階段向生殖階段的轉變。
本研究發現組蛋白標記H3K36me3在剪接調節和植物對環境溫度波動的可塑性中發揮了關鍵作用，為培育能夠更好地應對氣候變化引起的環境變化的作物開辟了新的前景。
實驗設計：
研究結果
（1）溫度誘導的差異剪接事件的鑒定
環境溫度的變化會觸發許多關鍵調控基因（包括各種開花時間調節因子）剪接的快速而穩定的變化。
圖1：溫度誘導的差異剪接（DiS）事件動態
（2）DiS基因在H3K36me3修飾中富集
在DiS基因中觀察到H3K36me3組蛋白標記過表達，且在溫度升高后觀察到標記沉積變化，表明該標記在調節環境溫度誘導的可變剪接（AS）中發揮了作用。
圖2：溫度誘導的DiS基因在H3K36me3中富集
（3）H3K36me3促進調節溫度誘導的DiS事件
H3K36me3在擬南芥中調節溫度誘導的AS中發揮作用。
圖3：H3K36me3促進調節溫度誘導的可變剪接
（4）H3K36me3蛋白 writers、erasers和readers的突變影響高溫誘導的開花
H3K36me3 writers、erasers和readers中的突變會影響植物對環境溫度變化的反應，表明該組蛋白修飾在對該環境線索的可塑性中發揮了作用。
圖4：H3K36me3 writers、erasers和readers的突變影響溫度誘導的開花
結論：
mRNA前體的可變剪接（AS）是產生蛋白質多樣性或調節轉錄異構體豐度的關鍵機制，包括轉錄組中的快速變化。在溫度傳感中，AS代表了一種在植物發育中賦予可塑性的快速而靈活的方法。剪接的共轉錄性質為剪接和染色質狀態之間的交叉調控提供了可能。在哺乳動物中，組蛋白修飾有助于調節剪接。本研究展示了組蛋白修飾在植物AS調節中的直接作用。揭示了H3K36me3在擬南芥中控制溫度誘導的AS和溫度依賴性開花時間調控的關鍵作用。
除關鍵調節基因的AS賦予可塑性之外，由于對環境條件變化的快速和可逆反應，本研究關于H3K36me3在這一過程中的作用發現為溫度誘導的AS記憶開辟了有趣的前景。可以預測溫度變化通過H3K36me3沉積而在染色質狀態中被記憶，從而導致特定的剪接模式，使植株在生命周期中記憶環境條件并適應氣候快速變化。
參考文獻：Pajoro A, Severing E, Angenent GC, Immink RGH. Histone H3 lysine 36 methylation affects temperature-induced alternative splicing and flowering in plants. Genome Biol. 2017 Jun 1;18(1):102.
發表期刊：Genome Biology
發表日期：2017年06月 01日
影響因子：17.906
技術：染色質免疫共沉淀測序（ChIP-seq）和RNA-seq
樣品：
背景和意義：
全球變暖嚴重影響植物的開花時間和繁殖成功率。mRNA前體的可變剪接(AS)是植物環境溫度控制反應的重要機制，但對其調控知之甚少。溫度升高通過改變關鍵調控基因的剪接促進了擬南芥植物形態的變化以及從營養階段向生殖階段的轉變。
本研究發現組蛋白標記H3K36me3在剪接調節和植物對環境溫度波動的可塑性中發揮了關鍵作用，為培育能夠更好地應對氣候變化引起的環境變化的作物開辟了新的前景。
實驗設計：
研究結果
（1）溫度誘導的差異剪接事件的鑒定
環境溫度的變化會觸發許多關鍵調控基因（包括各種開花時間調節因子）剪接的快速而穩定的變化。
圖1：溫度誘導的差異剪接（DiS）事件動態- 不同條件下獲得顯著DiS事件的拼接百分比（PSI）熱圖。
- 檢測到開花時間調節因子FLM(FLOWERING LOCUS M)和MAF2(MADS AFFECTING FLOWERING 2)，及富含精氨酸/絲氨酸的溫度調節剪接因子RS40(RICH SPLICING FACTOR 40)的DiS事件部分基因模型，以及RNA-seq結果相應繪圖區域。
- 溫度變化一天后DiS與完全差異表達基因（DEG）之間的重疊Venn圖。
（2）DiS基因在H3K36me3修飾中富集
在DiS基因中觀察到H3K36me3組蛋白標記過表達，且在溫度升高后觀察到標記沉積變化，表明該標記在調節環境溫度誘導的可變剪接（AS）中發揮了作用。
圖2：溫度誘導的DiS基因在H3K36me3中富集- 不同類別的基因，H3K36me3在不同類別基因的轉錄起始位點（TSS）和轉錄終止位點（TTS）周圍分布。
- 具有溫度誘導的DiS事件的目標基因H3K36me3圖譜
（3）H3K36me3促進調節溫度誘導的DiS事件
H3K36me3在擬南芥中調節溫度誘導的AS中發揮作用。
圖3：H3K36me3促進調節溫度誘導的可變剪接- WT中鑒定的顯著DiS事件在16℃和25℃（ΔPSI）之間的PSI差異分布以及sdg8-2和sdg26-1中的相應ΔPSI分布。
- 在WT 16℃和25℃的比較中，對于顯著的DiS事件，WT、sdg8-2和sdg26-1的絕對ΔPSI的經驗累積分布函數（ecdf）圖。根據Kolmogorov-Smirnov檢驗，WT和sdg8-2或sdg26-1之間的ΔPSI分布明顯不同。
- DiS事件的兩個實例的部分基因模型和RNA-seq結果的相應繪圖區域。
（4）H3K36me3蛋白 writers、erasers和readers的突變影響高溫誘導的開花
H3K36me3 writers、erasers和readers中的突變會影響植物對環境溫度變化的反應，表明該組蛋白修飾在對該環境線索的可塑性中發揮了作用。
圖4：H3K36me3 writers、erasers和readers的突變影響溫度誘導的開花- 根據擬南芥中的適配器復合體模型，H3K36me3調節和剪接的卡通圖。H3K36me3修飾的組蛋白通過與剪接調節因子（SRs）如PTB互作的適配器（如MRG1和MRG2）相結合。剪接調節因子在促進或預防AS中起著重要作用。
- WT、sdg8-2和sdg26-1植物在16℃下持續生長或五周后移到25°C的開花時間。
- WT、jmj30-1和jmj30-OE植物的開花時間如（b）所示。JMJ30丟失增加了對溫度誘導開花的反應，而JMJ30活性增加則相反。
- WT、mrg1-1和mrg2-3植物的開花時間如（b）所示。mrg1-1和mrg2-3植物對溫度的響應較小。
結論：
mRNA前體的可變剪接（AS）是產生蛋白質多樣性或調節轉錄異構體豐度的關鍵機制，包括轉錄組中的快速變化。在溫度傳感中，AS代表了一種在植物發育中賦予可塑性的快速而靈活的方法。剪接的共轉錄性質為剪接和染色質狀態之間的交叉調控提供了可能。在哺乳動物中，組蛋白修飾有助于調節剪接。本研究展示了組蛋白修飾在植物AS調節中的直接作用。揭示了H3K36me3在擬南芥中控制溫度誘導的AS和溫度依賴性開花時間調控的關鍵作用。
除關鍵調節基因的AS賦予可塑性之外，由于對環境條件變化的快速和可逆反應，本研究關于H3K36me3在這一過程中的作用發現為溫度誘導的AS記憶開辟了有趣的前景。可以預測溫度變化通過H3K36me3沉積而在染色質狀態中被記憶，從而導致特定的剪接模式，使植株在生命周期中記憶環境條件并適應氣候快速變化。
參考文獻：Pajoro A, Severing E, Angenent GC, Immink RGH. Histone H3 lysine 36 methylation affects temperature-induced alternative splicing and flowering in plants. Genome Biol. 2017 Jun 1;18(1):102.
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