在擬南芥中，熱休克轉(zhuǎn)錄因子A1b（HEAT SHOCK TRANSCRIPTION FACTORA1b，HSFA1b）通過影響種子產(chǎn)量來調(diào)控對環(huán)境脅迫的抗性。HSFA1b是生殖適應(yīng)性的決定性因素，這種調(diào)控機制怎么形成的呢？

 

2018年，英國生物-植物科學類期刊Journal of Experimental Botany《實驗植物學雜志》發(fā)表了題為“Arabidopsis HEAT SHOCK TRANSCRIPTION FACTORA1b regulates multiple developmental genes under benign and stress conditions”的研究論文，通過染色質(zhì)免疫共沉淀測序（ChIP-seq）等組學分析揭示了擬南芥熱休克轉(zhuǎn)錄因子A1b在調(diào)節(jié)植物高溫脅迫響應(yīng)的分子機制。

標題：Arabidopsis HEAT SHOCK TRANSCRIPTION FACTORA1b regulates multiple developmental genes under benign and stress conditions 擬南芥熱休克轉(zhuǎn)錄因子A1B在良性和脅迫條件下調(diào)節(jié)多個發(fā)育基因

時間：2018-04-25

期刊：J Exp Bot

影響因子：IF 7.298

技術(shù)平臺：ChIP-seq、RNA-seq等

 

研究摘要：

本研究通過對野生型非脅迫（NS）（對照組）擬南芥與熱激（HS）（熱激組）擬南芥HSFA1b的ChIP-seq測序分析、熱激組與對照組的表達圖譜分析（RNA-seq）、蛋白結(jié)合圖譜與表達圖譜關(guān)聯(lián)分析等研究，共鑒定出952個差異表達的HSFA1b靶基因，其中至少85個與發(fā)育相關(guān)且主要在NS下結(jié)合。同時鑒定出1780個基因差異表達，但未與HSFA1b結(jié)合，其中281個具有發(fā)育相關(guān)功能。這些基因通過27個轉(zhuǎn)錄因子（TF）的分層網(wǎng)絡(luò)間接調(diào)控。此外本研究鑒定了與HSFA1b結(jié)合的480個反義RNA基因（cisNAT），揭示了進一步的間接調(diào)控模式。最后，HSFA1b靶向基因組特征不僅包含熱休克元件，還包含了MADS-box、LEAFY和G-box啟動子motif，表明HSFA1b是靶向共同應(yīng)激防御和發(fā)育基因的八個轉(zhuǎn)錄因子（TF）之一?？傊?，本研究結(jié)果表明HSFA1b將環(huán)境線索誘導至許多應(yīng)激反應(yīng)和發(fā)育基因，使植物能在不同環(huán)境中不斷調(diào)整其生長和發(fā)育。

 

項目設(shè)計：

（1） 樣本選取：

5周齡NS和HS的NP：HSFA1b和Col-0擬南芥植物的完全展開葉片樣品用于ChIP-seq和RNA-seq實驗

（2）項目設(shè)計流程圖：

研究結(jié)果：

（1）在HS條件下HSFA1b優(yōu)先結(jié)合其靶基因的上游和TSS區(qū)域

圖1：響應(yīng)HS的HSFA1b結(jié)合的變化

（A）對照和熱激條件下HSFA1b結(jié)合位點富集與聚類

（B）結(jié)合位點的重疊分析

（C）三類結(jié)合位點的GO富集分析對比

（D）三類結(jié)合位點在TSS位點附近的分布

（E）三類結(jié)合位點在基因組元件上的分布

圖2：HSFA1b典型結(jié)合位點的IGV展示

（A-C）示意三類結(jié)合位點

（D-F）示意靶向反義RNA的結(jié)合位點

 

（2）大多數(shù)HSFA1b靶基因都對熱激敏感

圖3：RNA-seq分析三類HSFA1B靶基因的表達

（A）三類HSFA1b靶基因的差異表達分析（NS vs. HS）

（B）三類HSFA1b靶基因中上調(diào)和下調(diào)基因的GO功能富集分析

（3）過表達HSFA1b部分模擬擬南芥熱激反應(yīng)

圖4：過表達HSFA1b部分模擬擬南芥熱激反應(yīng)

（A）熱激蛋白（HSP）在對照組、HSFA1b過表達組和熱激組之間的表達熱圖

（B）HSFA1b過表達組和熱激組之間差異上下調(diào)基因的GO功能富集分析

 

（4）HSFA1b可通過調(diào)控TF表達間接調(diào)控下游靶基因表達

圖5：HSFA1b可以通過調(diào)控TF基因表達來間接調(diào)控下游靶基因表達。

（A）差異HSFA1b靶轉(zhuǎn)錄因子（TF）在對照組、HSFA1b過表達組和熱激組之間的表達熱圖

（B）RT-qPCR挑選部分把靶TF基因進行表達驗證

（C）本研究CHIP-seq鑒定的HSFA1b靶基因與擬南芥順反組圖譜數(shù)據(jù)庫（Arabidopsis Cistrome Atlas）中HSFA1b靶基因的重疊分析

（D）基于本研究CHIP-seq和RNA-seq數(shù)據(jù)庫推導的HSFA1b分層調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。黃色節(jié)點是HSFA1b，紅色節(jié)點是其結(jié)合的TF，藍色節(jié)點是TF調(diào)控的下游差異表達基因。

（5）HSFA1b調(diào)控反義RNA基因（cisNAT）及其靶基因的表達

圖6：HSFA1b調(diào)節(jié)順式NAT基因及其靶基因表達

（A）RNA-seq數(shù)據(jù)鑒定的反義RNA及其預(yù)測靶基因的差異表達熱圖

（B）反義RNA及其預(yù)測靶基因的表達變化負相關(guān)

（C）RT-qPCR驗證反義RNA及其預(yù)測靶基因的表達

 

（6）HSFA1b是八種調(diào)節(jié)應(yīng)激基因的轉(zhuǎn)錄因子之一

圖7：已發(fā)表的7個TFs的ChIP-seq數(shù)據(jù)表明，它們與NS和HS下的HSFA1b靶區(qū)存在顯著重疊的靶基因

（A）HSFA1b結(jié)合區(qū)域的TF motif分析；

（B）各TF-motif在HSFA1b結(jié)合區(qū)域的富集熱圖；

（C）HSFA1b和7個共定位TF的靶基因重疊分析；

（D）HSFA1b和7個共定位TF的重疊靶基因的GO富集分析

（E）由HSFA1b和多達7個其他轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的典型靶基因的IGV展示。

 

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：

有ChIP-seq測序或組學研究需要的老師可聯(lián)系易基因：0755-28317900。

參考文獻：

Albihlal WS, Obomighie I, Blein T, Persad R, Chernukhin I, Crespi M, Bechtold U, Mullineaux PM. Arabidopsis HEAT SHOCK TRANSCRIPTION FACTORA1b regulates multiple developmental genes under benign and stress conditions. J Exp Bot. 2018 May 19;69(11):2847-2862.

 

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