Die Orchestrierung der Genexpression in Pflanzen umfasst komplexe Wechselwirkungen zwischen der Chromatinstruktur und der transkriptionalen Aktivität. Das Aufkommen von Hochdurchsatz-Sequenzierungstechniken, insbesondere ATAC-seq und RNA-seq, hat die Erforschung der Genregulation revolutioniert. ATAC-seq ermöglicht die Kartierung offener Chromatinregionen und bietet Einblicke in die Zugänglichkeit von DNA und die Lokalisierung von regulatorischen Elementen. Im Gegensatz dazu, RNA-Seq quantifiziert die Genexpressionsniveaus und beleuchtet die dynamische transkriptionale Landschaft. Die Integration dieser beiden Datensätze ermöglicht es Forschern, das Zusammenspiel zwischen Chromatinarchitektur und Genexpression zu entschlüsseln.
Integration von ATAC-seq und RNA-seq
ATAC-seq erfasst offene Chromatinregionen, indem ein Transposase-Enzym verwendet wird, um zugängliche DNA zu fragmentieren. Diese Technik identifiziert Bereiche, in denen Transkriptionsfaktoren und andere regulatorische Proteine binden, was die Genexpression beeinflusst. Durch die Analyse von ATAC-seq-Daten können Forscher Enhancer, Promotoren und andere cis-regulatorische Elemente lokalisieren, die die Genaktivierung oder -repression steuern.
Integrieren ATAC-seq Und RNA-Seq-Daten bieten eine ganzheitliche Perspektive auf die Genregulation. Sie ermöglichen es Forschern, die Chromatinzugänglichkeit mit den Dynamiken der Genexpression zu verbinden und kausale Beziehungen zwischen regulatorischen Elementen und ihren Zielgenen aufzudecken. Diese Integration hilft dabei, potenzielle Transkriptionsfaktoren zu identifizieren, die spezifische Expressionsmuster durch Modulation der Chromatinstruktur steuern. Darüber hinaus ermöglicht sie die Identifizierung von co-regulierten Genmodulen, die eine wesentliche Rolle in zellulären Prozessen spielen.
Analytische Strategien
Die Integration von ATAC-seq und RNA-Seq Die Daten erfordern eine mehrstufige Analyse. Nach der individuellen Datenverarbeitung, Normalisierung und Qualitätskontrolle werden die Datensätze durch statistische Korrelationen oder maschinelles Lernen integriert. Die Korrelationsanalyse identifiziert Gene mit übereinstimmenden Veränderungen in der Chromatinzugänglichkeit und der Expression. Die Analyse der differentiellen Expression in beiden Datensätzen kann Gene aufdecken, die koordinierte Veränderungen durchlaufen, und deren funktionale Relevanz beleuchten.
Fallstudien
Fallstudie 1: Weizenregeneration
Die genetische Transformation ist unerlässlich für die Untersuchung der Genfunktion und die Verbesserung von Pflanzeneigenschaften. Diese Technik ist jedoch bei Weizen weniger effizient. Um diese Einschränkung zu beheben, ist ein ganzheitliches Verständnis der transkriptionalen und chromatinalen Dynamik während der Weizenerneuerung notwendig. Die Integration von ATAC-seq (Assay für transposase-zugängliche Chromatin mittels Sequenzierung) und RNA-seq (RNA-Sequenzierung) bietet ein leistungsstarkes Mittel, um das genetische Regulationsnetzwerk zu entschlüsseln, das die Erneuerung orchestriert.
RNA-Seq, ATAC-Seq und CUT&Tag-Techniken.
Die integrierte multi-omische Analyse zeigte, dass die auxinvermittelte sequenzielle Expression von Genen, die den Zellschicksalsübergang steuern, eng mit Veränderungen der Chromatinzugänglichkeit und Histonmodifikationen verbunden ist. Das konstruierte TRN, das die Regeneration von Weizen antreibt, wurde von 446 essentiellen Transkriptionsfaktoren dominiert. Die vergleichende Analyse hob die unterschiedlichen DNA-Bindungsmuster von DOF-TFs zwischen Weizen und Arabidopsis hervor. Experimentelle Validierung zeigte, dass TaDOF5.6 und TaDOF3.4 die Transformationsrate in verschiedenen Weizensorten erhöhen können, was ihre potenzielle Rolle bei der Verbesserung der Effizienz der genetischen Transformation unterstreicht.
Weizenregeneration und -transformation. (Liu et al., 2023)
Fallstudie 2: Genexpressionsmuster in Pflanzenpolyploiden
Die Anpassungsfähigkeit und Plastizität des allohexaploiden Brotweizens (Triticum aestivum L., BBAADD) werden als beeinflusst durch Ausdrucksdivergenz aufgrund genetischer Variation und Interaktionen zwischen seinen Subgenomen angesehen. Die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen dieser Ausdrucksdivergenz sind jedoch unklar. Squamosa-promoter-bindende Protein-ähnliche (SPL) Transkriptionsfaktoren spielen eine entscheidende Rolle in verschiedenen biologischen Prozessen. Um das regulatorische Netzwerk, das die Genexpression im Weizen steuert, und die Rolle der SPLs in diesem Prozess zu erhellen, integrierte diese Studie verschiedene Omik-Techniken, einschließlich DAP-seq für 40 SPLs, ATAC-seq und RNA-seq.
DAP-seq, ATAC-seq und RNA-seq
Vielfältige SPL-Zielgerichtetheit: Die Studie zeigte, dass eine Gruppe von SBRs mit niedriger Affinität von mehreren SPLs angesprochen wurde, was zu unterschiedlichen Sequenzpräferenzen rund um das zentrale GTAC-Motiv führte.
Konservierung von SBRs: Trotz ihrer niedrigen Affinität waren die identifizierten SBRs evolutionär konserviert und zeigten eine Anreicherung von GWAS-Signalen, die mit wichtigen landwirtschaftlichen Merkmalen in Zusammenhang stehen.
CRE-Variationen und Subgenom-Divergenz: Die Analyse der SBRs innerhalb der cis-regulatorischen Regionen (CREs) syntenischer Gene zeigte eine hohe Diversifikation zwischen den Subgenomen. Nur ein kleiner Teil der SBRs (weniger als 8%) koexistierte in Triadengenen, was die entscheidende Rolle der CRE-Variationen bei der Differenzierung der Subgenome unterstreicht.
Funktionale Validierung: Knockout-Experimente der TaSPL7A/B/D- und TaSPL15A/B/D-Unterfamilien lieferten experimentelle Beweise dafür, dass sowohl hoch- als auch niedrig-affine SBRs wesentliche Rollen bei der Regulierung der Genexpression zur Kontrolle der Anzahl der Triebe und der Ährengrößen spielen.
Niedrig-affine SPL-Bindungsstellen tragen zur Divergenz der Subgenom-Expression in Allohexaploid-Weizen bei. (Pei et al., 2023)
Fallstudie 3: Reaktionen von Pflanzen auf Hitzestress
Hintergrund:
Die komplexe Regulierung der Genexpression in Pflanzen umfasst komplexe Wechselwirkungen zwischen Transkriptionsfaktoren (TFs), der Chromatinstruktur und der dreidimensionalen Organisation des Genoms im Zellkern. Diese Organisation ermöglicht es Pflanzen, schnell auf Umweltstress zu reagieren, indem sie die Muster der Genexpression verändern. Die Mechanismen, die den dynamischen Veränderungen der Chromatinkonformation zugrunde liegen und deren Beziehung zur Genexpression während der Stressreaktionen bleiben jedoch schlecht verstanden. Diese Fallstudie konzentriert sich auf die Untersuchung der genomweiten Chromatinveränderungen, die mit der transkriptionalen Umprogrammierung als Reaktion auf Hitzestress in Tomatenpflanzen verbunden sind.
Methoden
Um die Dynamik der Chromatinumstrukturierung und der Genexpression unter Hitzestressbedingungen zu verdeutlichen, verwendeten die Forscher eine Kombination aus zwei leistungsstarken Techniken: Assay für transposase-zugängliches Chromatin mittels Sequenzierung (ATAC-seq) und RNA-Sequenzierung (RNA-seq).
Ergebnisse
Die Daten zeigten, dass Hitzestress schnelle Veränderungen in der Chromatinarchitektur von Tomatenpflanzen induzierte. Diese Veränderungen beinhalteten die transiente Bildung von Promotor-Enhancer-Kontakten, was auf eine Rolle der 3D-Chromatin-Konformation bei der Vermittlung der stressreaktiven Genexpression hindeutet. Die durch RNA-seq identifizierten differentiell exprimierten Gene deuteten darauf hin, dass die beobachteten Chromatinveränderungen mit der Expression von hitzestressreaktiven Genen assoziiert waren. Dies deutete auf einen direkten Zusammenhang zwischen veränderter Chromatinarchitektur und der Aktivierung spezifischer Gene hin, die für die Anpassung an Hitzestress notwendig sind.
Die Forscher untersuchten weiter die molekularen Mechanismen, die die Chromatinumorganisation während von Hitzestress antreiben. Sie fanden heraus, dass der Transkriptionsfaktor HSFA1a, der als entscheidend für die Hitzestresstoleranz bei Tomaten bekannt ist, eine entscheidende Rolle bei der Orchestrierung der räumlichen Chromatinumorganisation spielte. Dies deutete darauf hin, dass Transkriptionsfaktoren Schlüsselakteure bei der Kontrolle dynamischer transkriptioneller Antworten durch die 3D-Rekonfiguration von Promotor-Enhancer-Kontakten sind.
HSFA1a moduliert die Hitzestressreaktionen von Pflanzen und verändert die 3D-Chromatinorganisation der Interaktionen zwischen Enhancern und Promotoren. (Huang et al., 2023)
Referenzen:
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Liu, Xuemei, et al. "Aufdeckung des transkriptionalen Regulationsnetzwerks, das an der Steigerung der Weizenerneuerung und -transformation beteiligt ist." Natur Pflanzen (2023): 1-18.
- Pei, Hongcui, et al. "Niedrig-affine SPL-Bindungsstellen tragen zur Divergenz der Subgenomexpression in Allohexaploid-Weizen bei." Wissenschaft China Lebenswissenschaften 66,4 (2023): 819-834.
- Huang, Ying, et al. "HSFA1a moduliert die Hitzestressreaktionen von Pflanzen und verändert die 3D-Chromatinorganisation von Enhancer-Promotor-Interaktionen." Naturwissenschaftliche Kommunikation 14.1 (2023): 469.
Nur für Forschungszwecke, nicht zur klinischen Diagnose, Behandlung oder individuellen Gesundheitsbewertung bestimmt.
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