康測科技植物ATAC

基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控順式作用元件包括核心啟動子和增強子；核心啟動子在轉(zhuǎn)錄起始位點（TSS）上游25-30bp位置，比較保守；增強子序列能夠招募轉(zhuǎn)錄因子，控制核心啟動子的轉(zhuǎn)錄活性，在基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控中具有重要的地位。在植物中，順式作用元件，尤其是增強子，在基因組上的分布是不清楚的。ATAC-seq作為獲取染色質(zhì)開放區(qū)域強有力的新技術(shù)，能夠在全基因組水平上研究植物的整體調(diào)控區(qū)域相對于傳統(tǒng)DNase-seq技術(shù)，ATAC-seq技術(shù)使用的細(xì)胞核數(shù)目少（最多5萬個），操作簡單，因此被廣泛采用。埃默里大學(xué)的RogerB.Deal課題組在PlantCel雜志上發(fā)表植物ATAC-seq里程碑式的文章，開啟了ATAC-seq技術(shù)在植物研究領(lǐng)域的應(yīng)用。文中作者使用ATAC-seq技術(shù)系統(tǒng)研究擬南芥、水稻、苜蓿、番茄的根尖組織染色質(zhì)開發(fā)區(qū)域，發(fā)現(xiàn)開放染色質(zhì)區(qū)域位于轉(zhuǎn)錄起始位點上游3kb內(nèi)，并且鑒定到4個關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子在根尖中調(diào)控一系列保守基因的表達(dá)；最后作者比較了擬南芥根毛細(xì)胞和非根毛表皮細(xì)胞染色質(zhì)開放區(qū)域及根毛關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。下面小編將詳細(xì)對這篇文章進(jìn)行講解。I>1SPlantCell,Vd.30;15-3&hJanuary2018,www.plEintcell.dr^蜜2Q10ASPB.句CheCkfOtUpdUlRGE-SCALEbiologyarticleProfilingofAccessibleChromatinRegionsacrossMultiplePlantSpeciesandCellTypesRevealsCommonGeneRegulatoryPrinciplesandNewControlModulesKelseyA.Maher,*1^1MaiHkcB釗化尸0KalsaMauricioReynoso^GermainPauluzzlaeDonnellyA.West/KristinaZumstein/MargaretWQQdhouse/KerryMichaslW.Dorrity尸ChristineQueit&cjh尸JuliaB^iley-Serres,6NeelimaSinhaJSiobhanM,andRoge-rB,^DepartmentofBiok^gy,EmcwyUnivarsityl.Atlanta,Georgia30322bGraduateProgramInBlocnemistry,Cell.DevelopmentalBiology,EmeryUnrversrty^Atlanta.Georgia30322cGraduatePrograminGeneticsandMalecularBiology.EmoryUnigsity,Atlanta,Georgia30322dDepartmentofPlantBbbgyandGenomeCentex,University-ofC司iforni曰，Davis,Califooii日95616?CenterfairPlantCellBiologyBotanyandPlantSciencesDepartment,Unrver&ityofCalifomie,Riversicte,Califomia92521rDepartmentofPlantBiology,UniversityofCaJrfamia.Davis^California96616aUniversity小Wasrungton,SchoolatMedicine卜DepartmeintofGenomeSciences,,aeattle,WashlnsfttMi961951）擬南芥根尖組織ATAC-seq，使用鏈霉親和素磁珠富集細(xì)胞核；2生物學(xué)重復(fù)；命名為：INTACT-ATAC-seq；2）擬南芥根尖組織ATAC-seq，蔗糖梯度密度離心富集細(xì)胞核；2生物學(xué)重復(fù)；命名為：Crude-ATAC-seq；3）擬南芥根尖組織DNase-seq，蔗糖梯度密度離心富集細(xì)胞核；2生物學(xué)重復(fù)；命名為：DNase-seq；4）苜蓿根尖組織ATAC-seq，使用鏈霉親和素磁珠富集細(xì)胞核；2生物學(xué)重復(fù)；5）番茄根尖組織ATAC-seq，使用鏈霉親和素磁珠富集細(xì)胞核；2生物學(xué)重復(fù)；6）水稻根尖組織ATAC-seq，使用鏈霉親和素磁珠富集細(xì)胞核；2生物學(xué)重復(fù)；7）擬南芥根毛細(xì)胞ATAC-seq，使用鏈霉親和素磁珠富集細(xì)胞核；2生物學(xué)重復(fù)；8）擬南芥非根毛表皮細(xì)胞ATAC-seq，使用鏈霉親和素磁珠富集細(xì)胞核；2生物學(xué)重復(fù)；注：所有植物株系都為表達(dá)生物素連接酶-NTF（定位于細(xì)胞核核膜）融合蛋白的轉(zhuǎn)基因材料，因此可以使用鏈霉親和素磁珠富集細(xì)胞核。生信分析結(jié)果解讀1.INTACT-ATAC-seq、Crude-ATAC-seq和DNase-seq三種方法的比較首先作者對NTACT-ATAC-seq和Crude-ATAC-seq結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者鑒定的染色質(zhì)開放區(qū)域結(jié)果類似，差別在于NTACT富集的細(xì)胞核更純，線粒體和葉綠體基因組污染更少，數(shù)據(jù)利用率更高；接著對INTACT-ATAC-seq和DNase-seq結(jié)果進(jìn)行比較，INTACT-ATAC-seq鑒定到23288個開放的區(qū)域(THSs)，絕大部分THSs(19516/23288)在DNase-seq中富集；說明ATAC-seq和DNase-seq都能夠真實反應(yīng)染色質(zhì)開放區(qū)域；三者在基因組上開放區(qū)域一致：約75%的THSs都位于TSS上游2k和TTS下游1kb區(qū)域。小結(jié)：Crude-ATAC-seq、INTACT-ATAC-seq與DNase-seq在獲取染色質(zhì)開放狀態(tài)性能上效果相當(dāng)；Crude-ATAC-seq雖然具有大量線粒體和葉綠體基因組殘留，但不需要轉(zhuǎn)基因操作，而且對任何材料適用，因此工作效率更高。A|IA|IGgt帝葉祁

pfflsraSers|一IhiWCT土l’.-.L」].h.l_n」?.q。.一kIli_JLlL.L■ill—ji「L看rCrudaituchaiA-ACrHHq土-LJi一L一.-L-L]__￡,1_1L.l.L_iJ1JL一一…L._iiJ.LLJl_1丁。用of油rgim。齡n昭4I?ATAC-seqDistancefromTHScenl&r(kb)UireliwnZ中hWPT33|5UTRUI?ATAC-seqDistancefromTHScenl&r(kb)UireliwnZ中hWPT33|5UTRU二1cmmilltpIWWErfjQJlJTizmfckP：nixfutHbJm奪Ml由時INTACTCnjfenuGieiCrirgfepjiijrifej*gfori^.FntonMwfi'rrwvJalnhn■3772口傾嚀四pyTACT*ATAe?Mqwrichcdrngionn?nric：hadrvgiwiEINTACT-i-AIA￡^flqqciri^tii^rlnp|||i>n4-a■——FJUTR[igri!5maE(KIkblYumTT5；IfilflltjMfc-圖1:ATAC-seq與DNase-seq結(jié)果比較Table1.flTAC&aAoadsfromCrudoandINTACT-PuriikidMjCidop&sRootTipNuc心ExpcriiUWlPlastidMappedRoads(%)MibochondriBlLl^pp&dRoads1%)NudearHappenRoacUW)TdIbINuclear[M畢pedR&ads(Xi時TotaliHolispcIEnnchedRogicmCalled9P0TStoreGructe125J3322.1552.5240,643.51310D.4339■Cructe224.-1021.03S4.5B31?043,043DM0B6Crudo3明「13Z3.17&1.7035.3424璃0.4471IWWCT114.6224492.9434-63&463D.4167IMTACT22.0S94.46凱。^1.3050.4004IWTACT32.S11.6195.5709.755.S570.459&圖2：CrudeATAC-seq和INTACT-ATAC-seq線粒體和葉綠體DNA殘留率比較擬南芥、水稻、苜蓿、番茄根尖組織ATAC-seq結(jié)果比較作者首先在四個物種基因組上發(fā)現(xiàn)一段相互對應(yīng)的染色質(zhì)區(qū)域（syntenicregion），在此區(qū)域上四個物種具有相似的染色質(zhì)開放模式。接著對四個物種的THSs分析發(fā)現(xiàn):約70-80%THSs分布在翻譯區(qū)域以外，按比例排序依次為：上游近端（TSS上游2kb以內(nèi)范圍）、下游近端（TTS下游1kb范圍內(nèi)）和基因間區(qū)（TSS上游2kb以外和TTS下游1kb以外）。四個物種大部分THSs位于TSS上游3kb以內(nèi)，暗示大部分順式調(diào)控元件位于核心啟動子近端。對THSs進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，THSs位于上游近端和下游近端比例與基因組大小負(fù)相關(guān)，基因組越小該區(qū)域比例越大：擬南芥基因組最小，只有120Mb，上游近端比例為52%；水稻基因組約400Mb，上游近端比例為37%；苜?；蚪M約480Mb，近端上游比例為30%；番茄基因組820Mb，近端上游比例為11%。下游近端也存在相同的變化模式：擬南芥17%、水稻和苜蓿12%、番茄6%。而THSs位于間區(qū)比例與基因組大小正相關(guān):擬南芥12%、水稻和苜蓿30%、番茄50%。從THSs與基因關(guān)聯(lián)層面分析發(fā)現(xiàn)：擬南芥、水稻和苜蓿，70%的基因只有一個THSs與其相關(guān)聯(lián)，20%的基因與兩個THSs相關(guān)聯(lián)；而番茄正好相反，只有一個THSs位點的基因只占27%，大部分基因具有多個THSs，暗示番茄基因具有較多的順式作用元件。小結(jié)：四個物種THSs在基因組上具有相同的分布模式；大部分THSs在翻譯區(qū)域外，并且集中在TSS上游3kb內(nèi)的范圍；擬南芥、水稻和苜蓿大部分基因只有一個THSs位點，而番茄基因具有多個THSs位點，暗示番茄調(diào)控元件的復(fù)雜性。

AprosiinHlU0Elream作?Hbmm■li'R'ff-niEAprosiinHlU0Elream作?Hbmm■li'R'ff-niEl>2k￡ijp>bncrnTS5cr>1kbdnwMfETT：Fronmaldwsk^ti片1kcnwiTTSFyurKI'l'junEOl.3UTRDNLunaarofuFCTARrnTHSsp&rgar4i擬南芥、水稻、苜蓿、番茄同源基因THSs的特征比較作者首先在四個物種中鑒定到了373個同源基因，并且在基因TSS上游5kb范圍類統(tǒng)計THSs的數(shù)量，發(fā)現(xiàn)同源基因上游的THSs數(shù)量沒有保守性，只有少數(shù)同源基因具有相同的THSs數(shù)量。番茄中，這373個基因至少有一個THSs；而在擬南芥、水稻和苜蓿中，大部分同源基因在TSS上游5kb內(nèi)未發(fā)現(xiàn)THSs。而且同源基因上游開放區(qū)域位置分布在四個物種中沒有一致性。接著作者分析了373個同源基因THSs分布區(qū)域與基因表達(dá)情況的關(guān)聯(lián)性。發(fā)現(xiàn)上游區(qū)域THSs數(shù)目與基因表達(dá)量沒有關(guān)系；暗示THSs不只是簡單的激活元件，也是轉(zhuǎn)錄抑制因子的結(jié)合位點，這進(jìn)一步導(dǎo)致基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的復(fù)雜性。

A■qJitioiat/'or咿拓宜71FH迎Tuiiyt*!-g^rwawrl^psiinArM^kdp］卷A■qJitioiat/'or咿拓宜71FH迎Tuiiyt*!-g^rwawrl^psiinArM^kdp］卷-5000+lt?wQaLLOOUB棗件p-9琶EtE一WDDM匚c>口U0CA-SEE一旦口一，數(shù)目和位置分析圖4：擬南芥、水稻、苜蓿、番茄同源基因相關(guān)的THSs擬南芥、水稻、苜蓿、番茄轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控特征分析數(shù)目和位置分析作者首選對THSs進(jìn)行TFmotif分析，發(fā)現(xiàn)30個TFmotif在4個物種中普遍存在，并挑選其中4個有價值的TFs進(jìn)行分析:HY5、ABF3、CBF2和MYB77。接著使用擬南芥ATAC-seq數(shù)據(jù)查找含有上述4種TFsmotif的THSs，預(yù)測TFs的結(jié)合位點；使用4種TFs已經(jīng)發(fā)表的ChIP-seq或者DAP-seq數(shù)據(jù)，分析ATAC-seq預(yù)測的結(jié)合位點與實際的結(jié)合位點是否具有一致性？結(jié)果發(fā)現(xiàn)：擬南芥中1316個THSs存在ABF3motif，其中1279個（97%）THSs與ABF3的ChIP-seqpeak位置重合；89%的CBF2預(yù)測結(jié)合位點與其DAP-seqpeak位點重合；74%的MYB77預(yù)測結(jié)合位點與其DAP-seqpeak位點重合；61%的HY5預(yù)測結(jié)合位點與其DAP-seqpeak位點重合作者最后分析了包含至少兩種轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點的基因；發(fā)現(xiàn)這四種轉(zhuǎn)錄因子具有廣泛的共同結(jié)合調(diào)控的基因，例如，ABF3結(jié)合的1271個基因中有297個基因（23%）也能被HY5結(jié)合；這297個基因中，有46個被ABF3結(jié)合；并且其中有7個基因被4個轉(zhuǎn)錄因子同時結(jié)合；

由于水稻、苜蓿和番茄中缺乏這4種轉(zhuǎn)錄因子的ChIP-seq或DAP-seq數(shù)據(jù)，作者使用這四個轉(zhuǎn)錄因子在擬南芥中的motif進(jìn)行分析，首先獲得含有對應(yīng)TFsmotif的THSs，接著分析THSs對應(yīng)的基因，最后統(tǒng)計轉(zhuǎn)錄因子共同結(jié)合的基因比例，總共把結(jié)合的基因類型分成16個模塊（與擬南芥的分析類似），對于每一個模塊調(diào)控的基因比例，四個物種較一致。小結(jié)：作者鑒定到了HY5、ABF3、CBF2和MYB77四個轉(zhuǎn)錄因子，發(fā)現(xiàn)它們在根尖發(fā)育過程中具有重要的調(diào)控作用，并且結(jié)合在TSS上游5kb的范圍內(nèi)，共同結(jié)合一系列基因表達(dá)。ganeoverlapInAr涵疝網(wǎng)■A￡F3CBF2ProbabillhYof齡切耶ABF3+CBFS;p=ukid^22*：JganeoverlapInAr涵疝網(wǎng)■A￡F3CBF2ProbabillhYof齡切耶ABF3+CBFS;p=ukid^22*：J-!.l■需1^11HV5*ABF3^F=1.1S1W56CBFS+:p-2LaziteioKt-U&McAJa&op-w8S&JD&ln二日5召MnIAWulwa.jLLjJL一一M=M37■R/C*H=.ArjJWfllQyM^A二ABF3C=CBF7D擬南芥根尖、根毛細(xì)胞和非根毛表皮細(xì)胞染色質(zhì)開放區(qū)域比較分析分析完四個物種根尖組織染色質(zhì)開放區(qū)域的異同及四種關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控特征后；作者進(jìn)一步比較了擬南芥根尖、根毛細(xì)胞和非根毛表皮細(xì)胞染色質(zhì)開放區(qū)域。主要結(jié)果如下：首先作者對根尖組織、根毛細(xì)胞和非根毛表皮細(xì)胞的ATAC-seq數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，發(fā)現(xiàn)三者reads在基因組上分布整體上高度一致；進(jìn)一步統(tǒng)計THSs的特征發(fā)現(xiàn)，根尖組織存在32942個THSs，根毛細(xì)胞存在35552個THSs，非根毛表皮細(xì)胞有28912個THSs；其中絕大部分的THSs是三者共有的（總共18742個）；6562個THSs只在根毛細(xì)胞和非根毛表皮細(xì)胞中存在，暗示這些THSs為根部表皮細(xì)胞特異的調(diào)控區(qū)域；對三種材料特異的THSs統(tǒng)計發(fā)現(xiàn):根尖組織中存在10455個特異的THSs，根毛細(xì)胞有7537個特異的THSs，非根毛表皮細(xì)胞有2574個特異的THSs；根毛和非根毛各自特異的THSs（命名為dTHSs）可能是導(dǎo)致這兩種不同細(xì)胞類型形成的重要因素。作者使用根毛和非根毛表皮細(xì)胞歸一化的數(shù)據(jù)進(jìn)行dTHSs區(qū)域的熱圖展示，可以明顯看出這些區(qū)域在這兩種材料中的開放性顯著不同；接著對這些dTHSs進(jìn)行關(guān)聯(lián)基因分析，發(fā)現(xiàn)根毛細(xì)胞7537個特異的THSs關(guān)聯(lián)到6008個基因；非根毛表皮細(xì)胞2574個特異的THSs關(guān)聯(lián)到2295個基因，基本上一個THSs關(guān)聯(lián)一個基因；最后作者使用已發(fā)表的擬南芥根毛和非根毛RNA-seq數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)有3282個基因在根毛中上調(diào)表達(dá)，其中743個基因能夠與根毛dTHSs相關(guān)聯(lián)；258個基因與非根毛表皮dTHSs相關(guān)聯(lián)；108個基因與兩種細(xì)胞類型dTHSs相關(guān)聯(lián)；2731個基因在非根毛表皮細(xì)胞中上調(diào)表達(dá)，其中156個基因與非根毛表皮細(xì)胞dTHSs關(guān)聯(lián)；516個基因與根毛dTHSs相關(guān)聯(lián)；52個基因與兩種細(xì)胞類型dTHSs相關(guān)聯(lián)；表明細(xì)胞中上調(diào)表達(dá)的基因優(yōu)先與其特異的dTHSs相關(guān)聯(lián)，但也存在高表達(dá)的基因與非開放的區(qū)域相關(guān)聯(lián)，符合基因表達(dá)先激活、后抑制的規(guī)律

2574R8HmiTMileheR04?nen-h^irtellthse7的7B5Dkbofchromosoma4Rootnan-hairWhcJn-nrftp」i2574R8HmiTMileheR04?nen-h^irtellthse7的7B5Dkbofchromosoma4Rootnan-hairWhcJn-nrftp」i10455DGc-nxsassDcijrtodwithJLN'cn^hairG?ll?niqrich?dtilTHSROOLh3HJ.Gumns^￡EDi±lati>dWllh31Hair拓住nrlehMtfTHSrooE^ipTMSsNunibwiind-r^te-THSb;nMehNorvtMircvlkEM2Hairrgeto-enrl?h>dg?Fi??根毛細(xì)胞和非根毛表皮細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控分析轉(zhuǎn)錄因子對根毛細(xì)胞和非根毛細(xì)胞命運分化具有重要的調(diào)控作用；作者使用dTHSs獲得兩種細(xì)胞特異的motif，并關(guān)聯(lián)到對應(yīng)的TFs；進(jìn)一步通過TFs的表達(dá)量，獲得細(xì)胞特異的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子：根毛細(xì)胞中鑒定到4個關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子（MYB33、ABI5、NAC083、At5g04390）；非根毛細(xì)胞中鑒定到1個關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子WRKY27；與上文TFs的分析思路一樣：篩選含有轉(zhuǎn)錄因子motif的THSs，結(jié)合TFs的ChIP-seq或者DAP-seqpeak數(shù)據(jù)，篩選與peak重合的THSs，作為最終TFs的結(jié)合位點；其關(guān)聯(lián)的基因作為TFs的靶基因，并且與根毛細(xì)胞和非根毛細(xì)胞各自特異上調(diào)表達(dá)的基因進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析（繪制韋恩圖）；作者首先統(tǒng)計了MYB33、ABI5、NAC083三個轉(zhuǎn)錄因子分析的結(jié)果：17-21%結(jié)合基因在根毛細(xì)胞中上調(diào)表達(dá)；6-9%結(jié)合基因在非根毛上皮細(xì)胞上調(diào)表達(dá)；暗示大部分結(jié)合基因沒有出現(xiàn)差異表達(dá)。

接著作者研究了MYB33、ABI5、NAC083共同結(jié)合的基因，發(fā)現(xiàn)：ABI5和NAC083共同結(jié)合207個基因；ABI5和MYB33共同結(jié)合238個基因；三者共同結(jié)合50個基因；ABI5和MYB33共同結(jié)合的238個基因中，有57個基因在根毛細(xì)胞中上調(diào)表達(dá)。作者使用GO富集分析研究這些基因的富集功能；發(fā)現(xiàn)ABI5/MYB33結(jié)合的238基因顯著富集到“響應(yīng)ABA、水、鹽離子、冷刺激”；其中57個在根毛細(xì)胞中上調(diào)表達(dá)的基因，有7個基因被注釋到“轉(zhuǎn)錄調(diào)控”。暗示ABI5和MYB33可能在根毛細(xì)胞中處于轉(zhuǎn)錄調(diào)控級聯(lián)的頂端。MYB33largetNACQfl-1liirgotIMYS33ta「gs琳町”c"MriiriMInABAsimius15iBogcneeto*slMYB33largetNACQfl-1liirgotIMYS33ta「gs琳町”c"MriiriMInABAsimius15iBogcneeto*sl用dqprlwlfcngD.007與況忙Irfl|I對mgiiaoi■sejKOfiflgcaklE玖03damhgrffl(?rengriucuon7ClMfiificaliOnorABI5/MYB33larval9在n夠AftconwnafiIjrgpetgrn