ChIP-seq等揭示熱休克轉(zhuǎn)錄因子A1b調(diào)控植物高溫脅迫響應(yīng)的分子機制

在擬南芥中，熱休克轉(zhuǎn)錄因子A1b（HEAT SHOCK TRANSCRIPTION FACTORA1b，HSFA1b）通過影響種子產(chǎn)量來調(diào)控對環(huán)境脅迫的抗性。HSFA1b是生殖適應(yīng)性的決定性因素，這種調(diào)控機制怎么形成的呢？
 
2018年，英國生物-植物科學類期刊Journal of Experimental Botany《實驗植物學雜志》發(fā)表了題為“Arabidopsis HEAT SHOCK TRANSCRIPTION FACTORA1b regulates multiple developmental genes under benign and stress conditions”的研究論文，通過染色質(zhì)免疫共沉淀測序（ChIP-seq）等組學分析揭示了擬南芥熱休克轉(zhuǎn)錄因子A1b在調(diào)節(jié)植物高溫脅迫響應(yīng)的分子機制。

標題：Arabidopsis HEAT SHOCK TRANSCRIPTION FACTORA1b regulates multiple developmental genes under benign and stress conditions 擬南芥熱休克轉(zhuǎn)錄因子A1B在良性和脅迫條件下調(diào)節(jié)多個發(fā)育基因
時間：2018-04-25
期刊：J Exp Bot
影響因子：IF 7.298
技術(shù)平臺：ChIP-seq、RNA-seq等
 
研究摘要：
本研究通過對野生型非脅迫（NS）（對照組）擬南芥與熱激（HS）（熱激組）擬南芥HSFA1b的ChIP-seq測序分析、熱激組與對照組的表達圖譜分析（RNA-seq）、蛋白結(jié)合圖譜與表達圖譜關(guān)聯(lián)分析等研究，共鑒定出952個差異表達的HSFA1b靶基因，其中至少85個與發(fā)育相關(guān)且主要在NS下結(jié)合。同時鑒定出1780個基因差異表達，但未與HSFA1b結(jié)合，其中281個具有發(fā)育相關(guān)功能。這些基因通過27個轉(zhuǎn)錄因子（TF）的分層網(wǎng)絡(luò)間接調(diào)控。此外本研究鑒定了與HSFA1b結(jié)合的480個反義RNA基因（cisNAT），揭示了進一步的間接調(diào)控模式。最后，HSFA1b靶向基因組特征不僅包含熱休克元件，還包含了MADS-box、LEAFY和G-box啟動子motif，表明HSFA1b是靶向共同應(yīng)激防御和發(fā)育基因的八個轉(zhuǎn)錄因子（TF）之一�？傊�，本研究結(jié)果表明HSFA1b將環(huán)境線索誘導至許多應(yīng)激反應(yīng)和發(fā)育基因，使植物能在不同環(huán)境中不斷調(diào)整其生長和發(fā)育。
 
項目設(shè)計：
（1） 樣本選取：
5周齡NS和HS的NP：HSFA1b和Col-0擬南芥植物的完全展開葉片樣品用于ChIP-seq和RNA-seq實驗
（2）項目設(shè)計流程圖：


 研究結(jié)果：
（1）在HS條件下HSFA1b優(yōu)先結(jié)合其靶基因的上游和TSS區(qū)域
圖1：響應(yīng)HS的HSFA1b結(jié)合的變化
（A）對照和熱激條件下HSFA1b結(jié)合位點富集與聚類
（B）結(jié)合位點的重疊分析
（C）三類結(jié)合位點的GO富集分析對比
（D）三類結(jié)合位點在TSS位點附近的分布
（E）三類結(jié)合位點在基因組元件上的分布


圖2：HSFA1b典型結(jié)合位點的IGV展示
（A-C）示意三類結(jié)合位點
（D-F）示意靶向反義RNA的結(jié)合位點


（2）大多數(shù)HSFA1b靶基因都對熱激敏感
圖3：RNA-seq分析三類HSFA1B靶基因的表達
（A）三類HSFA1b靶基因的差異表達分析（NS vs. HS）
（B）三類HSFA1b靶基因中上調(diào)和下調(diào)基因的GO功能富集分析



（3）過表達HSFA1b部分模擬擬南芥熱激反應(yīng)
圖4：過表達HSFA1b部分模擬擬南芥熱激反應(yīng)
（A）熱激蛋白（HSP）在對照組、HSFA1b過表達組和熱激組之間的表達熱圖
（B）HSFA1b過表達組和熱激組之間差異上下調(diào)基因的GO功能富集分析


（4）HSFA1b可通過調(diào)控TF表達間接調(diào)控下游靶基因表達
圖5：HSFA1b可以通過調(diào)控TF基因表達來間接調(diào)控下游靶基因表達。
（A）差異HSFA1b靶轉(zhuǎn)錄因子（TF）在對照組、HSFA1b過表達組和熱激組之間的表達熱圖
（B）RT-qPCR挑選部分把靶TF基因進行表達驗證
（C）本研究CHIP-seq鑒定的HSFA1b靶基因與擬南芥順反組圖譜數(shù)據(jù)庫（Arabidopsis Cistrome Atlas）中HSFA1b靶基因的重疊分析
（D）基于本研究CHIP-seq和RNA-seq數(shù)據(jù)庫推導的HSFA1b分層調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。黃色節(jié)點是HSFA1b，紅色節(jié)點是其結(jié)合的TF，藍色節(jié)點是TF調(diào)控的下游差異表達基因。



（5）HSFA1b調(diào)控反義RNA基因（cisNAT）及其靶基因的表達
圖6：HSFA1b調(diào)節(jié)順式NAT基因及其靶基因表達
（A）RNA-seq數(shù)據(jù)鑒定的反義RNA及其預(yù)測靶基因的差異表達熱圖
（B）反義RNA及其預(yù)測靶基因的表達變化負相關(guān)
（C）RT-qPCR驗證反義RNA及其預(yù)測靶基因的表達
 

（6）HSFA1b是八種調(diào)節(jié)應(yīng)激基因的轉(zhuǎn)錄因子之一

圖7：已發(fā)表的7個TFs的ChIP-seq數(shù)據(jù)表明，它們與NS和HS下的HSFA1b靶區(qū)存在顯著重疊的靶基因
（A）HSFA1b結(jié)合區(qū)域的TF motif分析；
（B）各TF-motif在HSFA1b結(jié)合區(qū)域的富集熱圖；
（C）HSFA1b和7個共定位TF的靶基因重疊分析；
（D）HSFA1b和7個共定位TF的重疊靶基因的GO富集分析
（E）由HSFA1b和多達7個其他轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的典型靶基因的IGV展示。
 
參考文獻：
Albihlal WS, Obomighie I, Blein T, Persad R, Chernukhin I, Crespi M, Bechtold U, Mullineaux PM. Arabidopsis HEAT SHOCK TRANSCRIPTION FACTORA1b regulates multiple developmental genes under benign and stress conditions. J Exp Bot. 2018 May 19;69(11):2847-2862.