清華大學(xué)生命學(xué)院孫前文實(shí)驗(yàn)室在《植物細(xì)胞》發(fā)文
2020年2月19日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院孫前文實(shí)驗(yàn)室在《植物細(xì)胞》（The Plant Cell）發(fā)表題為“擬南芥不同發(fā)育時(shí)期和脅迫響應(yīng)下的R-loop圖譜”（The R-loop atlas of Arabidopsis development and responses to environmental stimuli）的研究論文。
R-loop是一種由單鏈DNA和DNA:RNA雜合鏈組成的三鏈核酸結(jié)構(gòu)。已有的研究表明，R-loop廣泛存在于各個(gè)物種中，并且在染色質(zhì)修飾、基因表達(dá)調(diào)控、DNA損傷修復(fù)、染色體分離和基因組穩(wěn)定性等生物學(xué)過程中發(fā)揮重要的功能。2017年，孫前文實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了高效的全基因組R-loop檢測技術(shù)--ssDRIP-seq（ssDRIP-seq, single-strand DNA ligation-based library construction of DNA:RNA hybrid immunoprecipitation and sequencing圖1，詳見報(bào)道3，原文鏈接5，），并首次報(bào)道了模式植物擬南芥幼苗期的R-loop圖譜。在此工作基礎(chǔ)上，孫前文實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步繪制了擬南芥在不同發(fā)育時(shí)期以及各種脅迫響應(yīng)下的R-loop圖譜，并揭示了擬南芥R-loop特有的動(dòng)態(tài)變化特征。
圖1 ssDRIP-seq技術(shù)流程以及本研究涉及的擬南芥材料
該工作共研究了53個(gè)擬南芥材料（圖1），主要包括：不同生理發(fā)育時(shí)期（萌發(fā)苗、根、苗葉、花、新葉和老葉）；不同的光照，光周期和溫度處理（藍(lán)光、紅光、遠(yuǎn)紅光；黑暗、長日照、短日照、全日照；4℃、17℃、22℃、27℃、37℃）；不同的激素和逆境處理（脫落酸ABA、水楊酸SA以及UV-C紫外光照射）。分析后發(fā)現(xiàn)，在不同的營養(yǎng)生長時(shí)期、光照或脅迫響應(yīng)下，R-loop在基因組上的分布并無顯著差異，這些發(fā)育時(shí)期及脅迫處理的R-loop模式基本一致（圖2A）。但在花和萌發(fā)幼苗，以及長時(shí)間37℃熱處理樣品中，R-loop變化差異較大（圖2A）。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)基因組中各個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄區(qū)正義R-loop（sGB-R-loop）和轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)反義R-loop（asTSS-R-loop）在不同樣本中的變化并沒有表現(xiàn)出顯著的偶聯(lián)（圖2B），表明這兩類R-loop有著不同的調(diào)控機(jī)制。此外，他們發(fā)現(xiàn)基因上的R-loop的水平和對應(yīng)的RNA的表達(dá)量也沒有呈現(xiàn)顯著的偶聯(lián)（圖2C），證明R-loop的動(dòng)態(tài)變化有著相對獨(dú)立的調(diào)控機(jī)制，并不能被簡單地看作是RNA表達(dá)水平動(dòng)態(tài)變化的副產(chǎn)物。這一研究首先在擬南芥中對R-loop在不同的生理發(fā)育時(shí)期和脅迫響應(yīng)下進(jìn)行表征分析，大量數(shù)據(jù)積累和分析能夠有力的支持和促進(jìn)后續(xù)的植物R-loop生物學(xué)功能的研究。該工作共研究了53個(gè)擬南芥材料（圖1），主要包括：不同生理發(fā)育時(shí)期（萌發(fā)苗、根、苗葉、花、新葉和老葉）；不同的光照，光周期和溫度處理（藍(lán)光、紅光、遠(yuǎn)紅光；黑暗、長日照、短日照、全日照；4℃、17℃、22℃、27℃、37℃）；不同的激素和逆境處理（脫落酸ABA、水楊酸SA以及UV-C紫外光照射）。分析后發(fā)現(xiàn)，在不同的營養(yǎng)生長時(shí)期、光照或脅迫響應(yīng)下，R-loop在基因組上的分布并無顯著差異，這些發(fā)育時(shí)期及脅迫處理的R-loop模式基本一致（圖2A）。但在花和萌發(fā)幼苗，以及長時(shí)間37℃熱處理樣品中，R-loop變化差異較大（圖2A）。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)基因組中各個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄區(qū)正義R-loop（sGB-R-loop）和轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)反義R-loop（asTSS-R-loop）在不同樣本中的變化并沒有表現(xiàn)出顯著的偶聯(lián)（圖2B），表明這兩類R-loop有著不同的調(diào)控機(jī)制。此外，他們發(fā)現(xiàn)基因上的R-loop的水平和對應(yīng)的RNA的表達(dá)量也沒有呈現(xiàn)顯著的偶聯(lián)（圖2C），證明R-loop的動(dòng)態(tài)變化有著相對獨(dú)立的調(diào)控機(jī)制，并不能被簡單地看作是RNA表達(dá)水平動(dòng)態(tài)變化的副產(chǎn)物。這一研究首先在擬南芥中對R-loop在不同的生理發(fā)育時(shí)期和脅迫響應(yīng)下進(jìn)行表征分析，大量數(shù)據(jù)積累和分析能夠有力的支持和促進(jìn)后續(xù)的植物R-loop生物學(xué)功能的研究。
圖2 R-loop動(dòng)態(tài)變化的主要結(jié)果
清華大學(xué)生命學(xué)院孫前文課題組博士后徐煒、博士生李寬、李帥、以及博士后侯全璨為本文共同第一作者，博士后張禹舜和博士后劉坤朋參與部分?jǐn)?shù)據(jù)分析和相關(guān)實(shí)驗(yàn)，孫前文研究員為本文的通訊作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金委、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及生命科學(xué)聯(lián)合中心等經(jīng)費(fèi)的支持。
論文鏈接：http://www.plantcell.org/content/early/2020/02/19/tpc.19.00802
相關(guān)推送報(bào)道：
1. 孫前文實(shí)驗(yàn)室在Cell Reports發(fā)文報(bào)道R-loop介導(dǎo)擬南芥中葉綠體基因組穩(wěn)定性維持的新機(jī)制
http://www.cls.edu.cn/Research/Research_Achievements4851.shtml
2. 孫前文實(shí)驗(yàn)室The Plant Cell發(fā)文報(bào)道R-loop影響葉綠體基因組穩(wěn)定的調(diào)控機(jī)制
http://www.cls.edu.cn/Research/Research_Achievements3897.shtml
3. 孫前文研究組與楊雪瑞研究組合作發(fā)文報(bào)道精準(zhǔn)、高效、高通量檢測R-loop分布的新方法
http://www.cls.edu.cn/Research/Research_Achievements3861.shtml
4. 清華孫前文組等揭示水稻根發(fā)育及向地性的新機(jī)制
http://www.sohu.com/a/134412727_650136
相關(guān)原文鏈接：
1.Xu W, Li K, Li S, Hou Q, Zhang Y, Liu K, Sun Q. The R-loop Atlas of Arabidopsis Development and Responses to Environmental Stimuli. Plant Cell. 2020 Feb; tpc.00802.2019.
http://www.plantcell.org/content/early/2020/02/19/tpc.19.00802
2. Yang Z, Li M, Sun Q. RHON1 Co-transcriptionally Resolves R-Loops for Arabidopsis Chloroplast Genome Maintenance. Cell Rep. 2020 Jan 7;30(1):243-256.e5. doi: 10.1016/j.celrep.2019.12.007.
https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(19)31646-8
3. Yuan W, Zhou J, Tong J, Zhuo W, Wang L, Li Y, Sun Q, Qian W. ALBA protein complex reads genic R-loops to maintain genome stability in Arabidopsis. Sci Adv. 2019 May 15;5(5):eaav9040. doi: 10.1126/sciadv.aav9040.
https://advances.sciencemag.org/content/5/5/eaav9040.full
4. Yang Z, Hou Q, Cheng L, Xu W, Hong Y, Li S, Sun Q. RNase H1 Cooperates with DNA Gyrases to Restrict R-Loops and Maintain Genome Integrity in Arabidopsis Chloroplasts. Plant Cell. 2017 Oct;29(10):2478-2497. doi: 10.1105/tpc.17.00305.
http://www.plantcell.org/content/early/2017/09/21/tpc.17.00305?rss=1
5. Xu W, Xu H, Li K, Fan Y, Liu Y, Yang X, Sun Q. The R-loop is a common chromatin feature of the Arabidopsis genome. Nat Plants. 2017 Sep;3(9):704-714. doi: 10.1038/s41477-017-0004-x.
https://www.nature.com/articles/s41477-017-0004-x
6. Shafiq S, Chen C, Yang J, Cheng L, Ma F, Widemann E, Sun Q. DNA Topoisomerase 1 Prevents R-loop Accumulation to Modulate Auxin-Regulated Root Development in Rice. Mol Plant. 2017 Jun 5;10(6):821-833. doi: 10.1016/j.molp.2017.04.001.
http://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(17)30102-8
7. Sun Q, Csorba T, Skourti-Stathaki K, Proudfoot NJ, Dean C. R-loop stabilization represses antisense transcription at the Arabidopsis FLC locus. Science. 2013 May 3;340(6132):619-21.
https://science.sciencemag.org/content/340/6132/619.long
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