Zirkadianische Einblicke: ChIP-seq und ATAC-seq enthüllen die Dynamik der Genexpression in Reis-Pflanzen

Um sich mit den rhythmischen Veränderungen in der Umwelt, die durch die Erdrotation verursacht werden, zu synchronisieren, haben höhere Pflanzen einen internen Zeitmechanismus entwickelt, der als biologische Uhr bekannt ist. Diese biologische Uhr reguliert genau verschiedene biologische Prozesse innerhalb von Organismen, einschließlich der Genexpression, des Zellstoffwechsels sowie des Wachstums und der Entwicklung. Diese Orchestrierung gewährleistet eine optimale Energieaufnahme und -nutzung. Im Kontext von Reis zeigen etwa ein Drittel der aktiv transkribierten Gene zyklische Muster. Die komplexen Mechanismen, durch die die biologische Uhr die rhythmische Expression von Genen steuert, sind jedoch unzureichend untersucht. Darüber hinaus sind die epigenomischen und dreidimensionalen genomischen Grundlagen der rhythmischen Genexpression unklar.

Forscher haben umfangreiche genomweite Datensätze zusammengestellt, die umfassen RNA-Seq, H3K9ac ChIP-Seq, ATAC-seqund BL-Hi-C-Daten unter drei verschiedenen Lichtbedingungen. Durch ihre Bemühungen haben sie das zirkadiane Oszillationsmotiv aufgedeckt, das mit der Histon-H3K9ac-Modifikation verbunden ist, sowie die dynamischen rhythmischen Veränderungen in der 3D-Struktur des Genoms. Darüber hinaus haben sie die Variationen in der Expression rhythmischer Reisgene als Reaktion auf unterschiedliche Lichtbedingungen untersucht.

Integrierte 3D-Genom-, Epigenom- und Transkriptom-Analysen zeigen die transkriptionale Koordination des zirkadianen Rhythmus in Reis. (Zhang et al., 2023)

Rhythmische Veränderungen an H3K9ac-Modifikationsstellen

Die Modifikationsstellen von H3K9ac zeigten unter verschiedenen Bedingungen auffällige rhythmische Veränderungen. Es wurde festgestellt, dass das Ausmaß der H3K9ac-Modifikationssignale eine deutlich positive Korrelation mit dem Grad der rhythmischen Veränderungen in der Expression an den entsprechenden Stellen aufwies. Der Höhepunkt der Histon-Acetylierungsmodifikation in Bezug auf die Expression ging dem Höhepunkt der rhythmischen Genexpression über einen Zeitraum von 1-2 Stunden voraus. Dies deutet darauf hin, dass die rhythmischen Veränderungen in der H3-Acetylierung eine entscheidende Rolle bei der Förderung der transkriptionalen Expression von Genen mit rhythmischen Mustern spielen. Darüber hinaus zeigte die Studie signifikante Variationen in den oszillatorischen Eigenschaften der rhythmischen Genexpression in Reis unter unterschiedlichen Lichtbedingungen. Im Rahmen der genomweiten rhythmischen Genexpression waren die Expressionsniveaus unter niedrigen Lichtbedingungen (LL) im Vergleich zu langen Tagen (LD) niedriger, aber höher als unter kontinuierlicher Dunkelheit (DD). Die Amplitude der Expression unter LL-Bedingungen war niedriger als die unter LD-Bedingungen, jedoch höher als die unter DD-Bedingungen. Darüber hinaus war die Phase unter LL-Bedingungen vorverlegt und unter DD-Bedingungen verzögert. Die Untersuchung der Expressionsmuster bekannter zentraler biologischer Uhrgene unter verschiedenen Bedingungen bestätigte deren Übereinstimmung mit den Expressionsmustern rhythmischer Gene im gesamten Genom. Kontinuierliche Dunkelheit führte zu einer Phasenverzögerung in der rhythmischen Genexpression, während kontinuierliches Licht zu einer verringerten Amplitude der rhythmischen Genexpression führte.

Zirkadiane Veränderungen in der H3-Acetylierung regulieren die oszillierende Genexpression. (Zhang et al., 2023)

Dynamik der Bindung von Transkriptionsfaktoren und regulatorischen Netzwerken in der zirkadianen Genexpression

Die Untersuchung der ATAC-seq-Daten zeigte, dass die zugänglichen Chromatinbereiche im Verlauf des 24-Stunden-Zyklus relativ stabil blieben. Allerdings wiesen eine beträchtliche Anzahl von Transkriptionsfaktoren eine zeitabhängige Bindung an diese Chromatinregionen auf, die die rhythmische Expression von Genen orchestrierte. Anschließend kartierten die Wissenschaftler das regulatorische Netzwerk, das von diesen oszillierenden bindenden Transkriptionsfaktoren gebildet wurde, und verbanden sie mit Genen, die rhythmische Expressionsmuster zeigten. Diese Verbindung wurde hergestellt, indem die rhythmischen Fußabdrücke in offenen Chromatinbereichen grundlegender biologischer Uhrengene einbezogen und prädiktive Modellierungen für Transkriptionsfaktoren verwendet wurden. Bemerkenswert ist, dass die Untersuchung die bedeutenden Rollen von Transkriptionsfaktoren im Zusammenhang mit Licht- und Temperatursignalen hervorhob, die die Schwankungen des zirkadianen Rhythmus antreiben und die Expression wichtiger biologischer Uhrengene koordinieren.

Kartierung des regulatorischen Netzwerks oszillierender Transkriptionsfaktoren. (Zhang et al., 2023)

Zusammenfassung

Mit der in situ Hi-C-Technologie führten Forscher eine vergleichende Analyse der Chromatinstruktur zu zwei Zeitpunkten durch: ZT8 und ZT20. Die Gene, die zu ZT8 eine zeitlich spezifische rhythmische Expression zeigten, waren dicht gepackt, während sie zu ZT20 lockerer angeordnet schienen. Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass die rhythmische Expression dieser Gene mit der sich verändernden 3D-Struktur des Chromatins im Laufe des Tages synchronisiert ist. Darüber hinaus wiesen bestimmte rhythmische lange nicht-kodierende RNAs (lncRNAs synchronisierte oszillierende H3K9ac-Modifikationen auf, und diese lncRNAs wurden gemeinsam mit benachbarten rhythmischen Genen exprimiert. Es wird angenommen, dass diese Ko-Expression aus Wechselwirkungen im Chromatinraum resultiert. Diese Ergebnisse werfen Licht auf einen potenziellen Mechanismus, der die Ausrichtung oszillierender H3K9ac-Modifikationen, dynamisch gebundener Transkriptionsfaktoren und ko-exprimierter rhythmischer lncRNAs und Gene umfasst. Letztendlich bieten diese Erkenntnisse eine neue Perspektive auf die dynamischen Veränderungen in der räumlichen Chromatinkonformation, die mit der rhythmischen Expression von Genen verbunden sind.

Referenz:

1. Zhang, Ying, et al. "Integrierte 3D-Genom-, Epigenom- und Transkriptomanalysen zeigen die transkriptionale Koordination des zirkadianen Rhythmus in Reis." Nukleinsäurenforschung (2023): gkad658.