清華新聞網(wǎng)4月1日電 真核生物基因組中的轉(zhuǎn)錄狀態(tài)主要包括轉(zhuǎn)錄激活和沉默,。轉(zhuǎn)錄沉默通常與基因組中的異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域相關(guān),，該區(qū)域往往富集了高水平的DNA甲基化和抑制性組蛋白修飾,，并顯示出高度緊湊的染色質(zhì)狀態(tài),，最終導(dǎo)致RNA聚合酶無(wú)法進(jìn)入,，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄抑制,。相反,，轉(zhuǎn)錄激活主要發(fā)生在更開(kāi)放、松散的常染色質(zhì)區(qū)域,，這種染色質(zhì)環(huán)境便于結(jié)合RNA聚合酶II,，并與轉(zhuǎn)錄活躍型組蛋白修飾（例如H3K36甲基化修飾等）高度關(guān)聯(lián)。
3月31日,，清華大學(xué)生命學(xué)院孫前文實(shí)驗(yàn)室在《自然·植物》（Nature Plants）發(fā)表了題為“H3K36甲基化標(biāo)記的轉(zhuǎn)錄阻抗?fàn)顟B(tài)參與維持植物發(fā)育（H3K36 methylation stamps transcription resistive to preserve development in plants）”的研究論文,，該研究發(fā)現(xiàn)一種全新概念的染色質(zhì)狀態(tài)——“轉(zhuǎn)錄阻抗”（Transcription Resistive）。與學(xué)界普遍認(rèn)知的轉(zhuǎn)錄激活及轉(zhuǎn)錄沉默現(xiàn)象不同,，轉(zhuǎn)錄阻抗位點(diǎn)具有與轉(zhuǎn)錄激活區(qū)域相似的染色質(zhì)環(huán)境,，包括富集了RNA聚合酶II（Pol II），組蛋白修飾H3K36me3和高度開(kāi)放,、松散的染色質(zhì)狀態(tài),，但其轉(zhuǎn)錄水平與轉(zhuǎn)錄沉默位點(diǎn)一致——幾乎檢測(cè)不到新生轉(zhuǎn)錄本（nascent transcripts），綜合呈現(xiàn)出一種“抵抗轉(zhuǎn)錄”的特征,。
該研究起始于分析擬南芥中不同H3K36甲基轉(zhuǎn)移酶催化H3K36甲基化的差異,。研究人員對(duì)不同的甲基轉(zhuǎn)移酶突變體進(jìn)行了H3K36me3的ChIP-seq分析，并意外發(fā)現(xiàn)與野生型Col-0相比,，突變體sdg8中編碼基因上的H3K36me3水平顯著增加（圖1a）,。隨后根據(jù)突變體sdg8中H3K36me3水平的變化模式，研究人員對(duì)編碼基因進(jìn)行了分類（分為C1-C4共四類,，圖1b和c）,，其中SDG8基因突變會(huì)導(dǎo)致C3類別的基因位點(diǎn)（約占總基因數(shù)的40%）表現(xiàn)出顯著升高的H3K36me3水平，表明甲基轉(zhuǎn)移酶SDG8存在抑制H3K36me3積累的功能（圖1b）,。
圖1.SDG8基因突變導(dǎo)致C3類基因位點(diǎn)H3K36me3水平升高
為了探究sdg8突變體中H3K36me3水平升高基因（C3基因）的轉(zhuǎn)錄狀態(tài),，研究人員進(jìn)行了新生轉(zhuǎn)錄本測(cè)序（NET-seq）,。結(jié)果表明，無(wú)論在野生型還是sdg8突變體中,，C3基因位點(diǎn)處幾乎檢測(cè)不到轉(zhuǎn)錄活性（圖2b-d）,，這一結(jié)果與現(xiàn)有的H3K36me3增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄延伸觀點(diǎn)相悖。已知轉(zhuǎn)錄激活（Transcription Active,，TA）區(qū)域?yàn)榫哂蠵ol II結(jié)合以及開(kāi)放染色質(zhì)狀態(tài)（高信號(hào)的ATAC-seq）且轉(zhuǎn)錄水平較高的區(qū)域（圖2a-d,，圖3）。與之相對(duì)應(yīng),，研究人員將有Pol II結(jié)合（Pol IIChIP-seq）和開(kāi)放染色質(zhì)狀態(tài)（ATAC-seq）但Pol II轉(zhuǎn)錄信號(hào)極低（Pol IISer2P NET-seq水平）的區(qū)域定義為“轉(zhuǎn)錄阻抗”（Transcription Resistive,，TR）基因（圖2a-d，圖3）,。
圖2.H3K36me3標(biāo)記擬南芥轉(zhuǎn)錄阻抗基因
根據(jù)這一定義,，研究人員在擬南芥基因組中鑒定到了4375個(gè)TA基因和12911個(gè)TR基因（圖3）。TR和TA基因均與轉(zhuǎn)錄抑制性染色質(zhì)標(biāo)記（如H3K9me2,、H3K27me1,、H3K27me3等）呈負(fù)相關(guān)，但與轉(zhuǎn)錄活躍型染色質(zhì)標(biāo)記（如H3K4me3,、H3K36me3等）呈正相關(guān)（圖2a,，圖3）。有趣的是,，TR基因相較于TA基因有更富集的H3K36me修飾,，尤其是H3K36me3修飾（圖2a）。據(jù)統(tǒng)計(jì),，TR基因占擬南芥基因組中編碼基因總數(shù)的47.5%,，表現(xiàn)出類似于TA基因的活躍染色質(zhì)狀態(tài)（圖2a，圖3）,，卻只有極低水平的轉(zhuǎn)錄活性,。研究人員還發(fā)現(xiàn)擬南芥中大量的“必需基因（essential genes）”處于轉(zhuǎn)錄阻抗?fàn)顟B(tài)，并且這種轉(zhuǎn)錄阻抗?fàn)顟B(tài)在擬南芥已知的5種H3K36me3甲基轉(zhuǎn)移酶協(xié)同作用中維持平衡,。進(jìn)一步對(duì)單子葉植物水稻和哺乳動(dòng)物小鼠的培養(yǎng)細(xì)胞進(jìn)行類似的染色質(zhì)狀態(tài)分析發(fā)現(xiàn),，轉(zhuǎn)錄阻抗現(xiàn)象可能普遍存在于真核生物基因組中。
圖3.染色質(zhì)狀態(tài)的四種主要分類及其代表性的組蛋白修飾標(biāo)記
該研究提出的“轉(zhuǎn)錄阻抗（Transcription Resistive）”概念突破了領(lǐng)域內(nèi)長(zhǎng)久以來(lái)形成的關(guān)于染色質(zhì)狀態(tài)“非活躍即沉默”的二元認(rèn)知范式,，鑒定出具有獨(dú)特表觀遺傳標(biāo)記與功能特性的第三類轉(zhuǎn)錄狀態(tài),。這種處于“活躍”和“沉默”之間的中間態(tài)不僅重構(gòu)了染色質(zhì)功能分區(qū)理論，更揭示了基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的層級(jí)性,，對(duì)染色質(zhì)修飾的功能和基因組轉(zhuǎn)錄的狀態(tài)進(jìn)行了重新定義,，開(kāi)啟了全新研究領(lǐng)域的序幕,。
清華大學(xué)生命學(xué)院2017級(jí)博士生姚堯（已畢業(yè)）和博士后周勁聰（已出站,，現(xiàn)為廣州大學(xué)生命學(xué)院副教授）為論文共同第一作者,，生命學(xué)院副教授孫前文為論文通訊作者。孫前文實(shí)驗(yàn)室成員,、2023級(jí)博士生王嘉誠(chéng),、2021級(jí)博士生雷雪和2020級(jí)博士生江安潔參與了研究中部分?jǐn)?shù)據(jù)的收集與分析。英國(guó)約翰·英納斯中心（John Innes Centre）研究所教授卡羅琳·迪恩（Caroline Dean）和清華大學(xué)生命學(xué)院教授頡偉為研究提供了寶貴意見(jiàn)和建議,。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金和清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心的資助,。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41477-025-01962-6
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
