組蛋白修飾和DNA甲基化調(diào)控水稻發(fā)育的表觀遺傳機(jī)制研究.pdf

1、表觀修飾在維持真核生物基因組穩(wěn)定、調(diào)控基因表達(dá)等方面發(fā)揮了重要作用。作為主要糧食作物的水稻，其各器官（如根、葉和穗）發(fā)育過程中的表觀調(diào)控機(jī)制及其與基因表達(dá)的關(guān)系的認(rèn)知還有待完善，表觀修飾之間之間的相互關(guān)系還不是很清楚。本文分別將從以下三個方面探究了表觀修飾（組蛋白修飾和DNA甲基化）之間的內(nèi)在關(guān)系，并深入探討了它們在調(diào)控水稻基因表達(dá)和發(fā)育方面的作用:1.穗原基分生組織(IM，Infloresence Meristem)中組蛋白甲基化與基

2、因表達(dá)重編程關(guān)系的研究;2.水稻葉片中組蛋白H3K27me3與DNA甲基化修飾在協(xié)同抑制功能基因表達(dá)方面的研究;3.組蛋白乙酰化修飾在調(diào)控水稻冠根發(fā)育過程中的作用機(jī)制研究。主要研究結(jié)果如下:
　　a.水稻穗原基分生組織的活性直接關(guān)系到水稻穗發(fā)育和糧食產(chǎn)量，但表觀修飾是如何調(diào)控穗原基分生組織發(fā)育和基因表達(dá)的還不是很清楚。我們通過高通量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，水稻成花轉(zhuǎn)變（由莖頂端分生組織到穗原基分生組織）過程中大量轉(zhuǎn)錄因子（如MADS、AP2

3、、AUX/IAA等）、激酶、碳代謝、蛋白合成等相關(guān)基因的表達(dá)量上調(diào)或改變，而組蛋白修飾H3K27me3/H3K4me3的相對變化比例則直接影響了該發(fā)育過程中的基因表達(dá)變化。成花轉(zhuǎn)變過程中，水稻莖頂端分生組織全基因組中大量基因的H3K27me3修飾發(fā)生了重編程，而SDG711(H3K27甲基轉(zhuǎn)移酶編碼基因)和JMJ703（H3K4去甲基化酶編碼基因）抑制表達(dá)或突變后減弱了H3K27me3修飾基因增加的情況。其中SDG711介導(dǎo)的H3K27

4、me3參與了多個穗發(fā)育關(guān)鍵基因的表達(dá)抑制調(diào)控，并保證了部分花發(fā)育后期或者其他時期才被激活表達(dá)的基因在穗原基中的沉默狀態(tài)。以上數(shù)據(jù)表明SDG711和JMJ703共同參與了維持了穗原基中H3K27me3/H3K4me3修飾狀態(tài)進(jìn)而調(diào)控了基因的正常表達(dá)。
　　b.H3K27me3是由PRC2復(fù)合物催化的基因表達(dá)抑制標(biāo)志，DNA甲基化是轉(zhuǎn)座子沉默的標(biāo)志，但是水稻中這兩種修飾之間的關(guān)系、二者又是如何協(xié)同維持基因表達(dá)沉默的，以及植物中PRC2

5、復(fù)合物的招募機(jī)制都還不是很清楚。我們通過高通量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，水稻葉片形成過程中SDG711參與了對多種功能基因的H3K27me3修飾。同時我們也發(fā)現(xiàn)，水稻葉片中大量H3K27me3修飾的功能基因的gene body（由轉(zhuǎn)錄起始位點到轉(zhuǎn)錄終止位點）上含有non-CG（CHG和CHH）甲基化。SDG711超表達(dá)后產(chǎn)生的異位H3K27me3修飾基因和SDG711結(jié)合的基因上均含有較高的non-CG甲基化，同時生物化學(xué)實驗顯示SDG711能與O

6、sDRM2（CHH甲基轉(zhuǎn)移酶）和含有SRA結(jié)構(gòu)域（特異性結(jié)合甲基化的CHG位點）的SDG703直接互作。osdrm2突變體中全基因組H3K27me3修飾下降。這些研究結(jié)果表明在水稻葉片中SDG711介導(dǎo)的H3K27me3和DRM2介導(dǎo)的non-CG甲基化共同參與了功能基因表達(dá)的抑制，二者在水稻體內(nèi)可能具有一定的協(xié)同促進(jìn)作用。
　　c.冠根是水稻根的主要類型，Homeobox家族成員WOX11是調(diào)控水稻冠根發(fā)育的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，在調(diào)控

7、水稻冠根的起始和伸長中發(fā)揮了重要功能。我們研究發(fā)現(xiàn)，水稻冠根分生區(qū)中WOX11可以直接招募ADA2-GCN5乙酰化酶復(fù)合物并激活下游基因的表達(dá)。原位雜交顯示GCN5和ADA2均在冠根根尖分生區(qū)各層細(xì)胞中存在表達(dá)，GCN5和ADA2表達(dá)量被抑制后均影響了水稻冠根的起始、伸長。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)wox11突變體和GCN5 RNAi植株根中生長素信號應(yīng)答減弱、根尖細(xì)胞分裂速率降低。下游基因檢測發(fā)現(xiàn)，WOX11和ADA2-GCN5直接參與調(diào)控了生長