全基因組ChIP-seq分析揭示細菌轉(zhuǎn)錄因子PhoB的基因內(nèi)結合位點
細菌編碼許多轉(zhuǎn)錄因子（transcription factor，TF），這些轉(zhuǎn)錄因子通過與啟動子周圍的DNA結合并調(diào)控RNA聚合酶（RNAP）全酶以結合啟動子DNA或異構化為主動轉(zhuǎn)錄構象的能力來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄起始。目前對TF功能的研究幾乎集中在調(diào)節(jié)基因上游基因間區(qū)域的TF結合位點。然而，基因組規(guī)模分析鑒定出大量的TF結合位點位于基因內(nèi)（within genes），基因內(nèi)TF結合位點的比例在不同TF之間具有顯著差異。盡管基因內(nèi)存在大量TF結合位點，但對其功能知之甚少。
大腸桿菌（Escherichia coli）TF PhoB是一種保守的轉(zhuǎn)錄因子，可調(diào)控參與磷酸鹽穩(wěn)態(tài)的基因轉(zhuǎn)錄。大部分PhoB結合位點位于基因內(nèi)，這些基因內(nèi)結合位點與可檢測的轉(zhuǎn)錄調(diào)控無關，且在進化上不保守。許多基因內(nèi)PhoB位點位于H-NS結合區(qū)域，可能是由于PhoB和H-NS的共同序列偏好。
2023年04月17日，《mBio》雜志發(fā)表了題為“Genome-Wide Mapping of the Escherichia coli PhoB Regulon Reveals Many Transcriptionally Inert, Intragenic Binding Sites”的研究論文，該研究通過對細菌轉(zhuǎn)錄因子PhoB結合位點的ChIP-seq、RNA-seq整合分析，揭示了大腸桿菌PhoB的許多基因內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子結合位點和轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制。
標題：Genome-Wide Mapping of the Escherichia coli PhoB Regulon Reveals Many Transcriptionally Inert, Intragenic Binding Sites.（大腸桿菌PhoB調(diào)控元件的全基因組定位揭示了許多轉(zhuǎn)錄惰性的基因內(nèi)結合位點）
時間：2023-04-17
期刊：mBio
影響因子：IF 7.786
技術平臺：ChIP-seq、RNA-seq、RT-qPCR等
研究摘要：
基因組規(guī)模分析揭示許多轉(zhuǎn)錄因子結合位點在基因內(nèi)部，引發(fā)了關于這些結合位點功能的問題。最近研究揭示細菌基因內(nèi)的大量轉(zhuǎn)錄因子結合位點，但絕大多數(shù)結合位點的功能尚未研究。本研究繪制了轉(zhuǎn)錄因子PhoB在大腸桿菌基因組中的結合，揭示了大多數(shù)PhoB結合位點都位于基因內(nèi)。分析結果表明，基因內(nèi)PhoB結合位點與重疊基因調(diào)控無關。數(shù)據(jù)揭示了細菌可以耐受大量非調(diào)控性基因內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子結合位點的存在，且這些結合位點不受選擇性壓力影響。
研究使用染色質(zhì)免疫沉淀測序（ChIP-seq）和轉(zhuǎn)錄組測序（RNA-seq）對pho調(diào)控元件進行高分辨率的全基因組分析。研究對一組已知的pho調(diào)控基因進行分析和擴展，并鑒定出許多基因內(nèi)PhoB結合位點。分析結果顯示，絕大多數(shù)基因內(nèi)PhoB結合位點不保守，且與可檢測的調(diào)控功能無關。本研究數(shù)據(jù)表明，單個基因內(nèi)PhoB位點無功能，轉(zhuǎn)錄因子可以結合許多基因內(nèi)位點，對局部轉(zhuǎn)錄（local transcription）幾乎沒有影響。
實驗結果：
（1）磷酸鹽限制條件下PhoB的全基因組結合
圖1：C末端帶有FLAG3標簽的PhoB活性部分降低。qRT-PCR檢測在低磷酸鹽條件下生長的細胞中，野生型MG1655/pBAD24（wild type）、MG1655 ΔphoB（CDS091）/pBAD24（ΔphoB）和MG1655 phoB-FLAG3（DMF34）/pBAD24（phoB-FLAG3）中相對minD RNA對照的pstS RNA水平。值是三個生物學重復平均值；誤差線表示±1個標準差。
圖2：ChIP-seq鑒定PhoB結合位點。
表1：ChIP-seq鑒定的PhoB結合區(qū)域列表
圖3：ChIP-seq和ChIP-ChIP數(shù)據(jù)集比較分析
（2）pho調(diào)控元件的再評估
圖4：大腸桿菌野生型和ΔphoB菌株的RNA-seq分析。散點圖顯示野生型（MG1655/pBAD24）或ΔphoB（CDS091/pBAD24）細胞中所有基因的相對RNA水平。每個數(shù)據(jù)點對應一個基因，三角形數(shù)據(jù)點代表先前報道的pho調(diào)控元件中的基因，紅色三角形表示該轉(zhuǎn)錄本ChIP-seq鑒定的上游PhoB位點，灰色三角形表示沒有上游位點。紅色圓圈表示以前沒有報道過的基因位于pho調(diào)控元件中，但在ChIP-seq中鑒定出上游PhoB位點。藍色圓圈表示ChIP-seq鑒定出的內(nèi)部PhoB位點基因�；疑珗A圈表示所有其他基因。
圖5：pho調(diào)控元件潛在成員基因中RNAP（β亞基）占有率差異。
野生型MG1655（深色條）和MG1655 ΔphoB（CDS091；淺色條）中，ChIP-qPCR檢測的RNAP（β亞基）占有率是pho調(diào)控元件潛在成員的基因內(nèi)區(qū)域。左側(cè)示意圖顯示上游或內(nèi)部PhoB位點的基因（紅色垂直線）。水平條表示ChIP-qPCR中PCR擴增子位點，黑色條表示PhoB位點上游基因內(nèi)的擴增子，綠色條表示基因內(nèi)PhoB位點上游的擴增子，藍色條表示基因內(nèi)PhoB位點下游的擴增子。
（3）起始RNAP的PhoB依賴性招募
圖6：野生型和ΔPhoB細胞PhoB結合位點周圍σ70占有率差異。
散點圖顯示ChIP-seq鑒定的phoB結合位點周圍400bp區(qū)域在野生型MG1655和MG1655 ΔphoB（DMF84）中的歸一化σ70占有率。每個數(shù)據(jù)點代表一個PhoB結合位點�；蜷g結合位點由紅色數(shù)據(jù)點表示，基因內(nèi)結合位點由藍色數(shù)據(jù)點表示。與PhoB結合位點相關的基因在野生型和ΔPhoB細胞的σ70占有率相差>2倍。
（4）H-NS與許多基因內(nèi)PhoB位點相關聯(lián)，但不阻斷RNAP招募
圖7：H-NS抑制許多啟動子的轉(zhuǎn)錄
圖8：H-NS不抑制PhoB依賴性起始RNA聚合酶招募效應
（5）PhoB結合位點的序列保守性
圖9：PhoB結合位點在γ -變形菌屬（Gammaproteobacteria）物種中的保守性
參考文獻：
Fitzgerald DM, Stringer AM, Smith C, Lapierre P, Wade JT. Genome-Wide Mapping of the Escherichia coli PhoB Regulon Reveals Many Transcriptionally Inert, Intragenic Binding Sites. mBio. 2023 Apr 17:e0253522.
大腸桿菌（Escherichia coli）TF PhoB是一種保守的轉(zhuǎn)錄因子，可調(diào)控參與磷酸鹽穩(wěn)態(tài)的基因轉(zhuǎn)錄。大部分PhoB結合位點位于基因內(nèi)，這些基因內(nèi)結合位點與可檢測的轉(zhuǎn)錄調(diào)控無關，且在進化上不保守。許多基因內(nèi)PhoB位點位于H-NS結合區(qū)域，可能是由于PhoB和H-NS的共同序列偏好。
2023年04月17日，《mBio》雜志發(fā)表了題為“Genome-Wide Mapping of the Escherichia coli PhoB Regulon Reveals Many Transcriptionally Inert, Intragenic Binding Sites”的研究論文，該研究通過對細菌轉(zhuǎn)錄因子PhoB結合位點的ChIP-seq、RNA-seq整合分析，揭示了大腸桿菌PhoB的許多基因內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子結合位點和轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制。
標題：Genome-Wide Mapping of the Escherichia coli PhoB Regulon Reveals Many Transcriptionally Inert, Intragenic Binding Sites.（大腸桿菌PhoB調(diào)控元件的全基因組定位揭示了許多轉(zhuǎn)錄惰性的基因內(nèi)結合位點）時間：2023-04-17
期刊：mBio
影響因子：IF 7.786
技術平臺：ChIP-seq、RNA-seq、RT-qPCR等
研究摘要：
基因組規(guī)模分析揭示許多轉(zhuǎn)錄因子結合位點在基因內(nèi)部，引發(fā)了關于這些結合位點功能的問題。最近研究揭示細菌基因內(nèi)的大量轉(zhuǎn)錄因子結合位點，但絕大多數(shù)結合位點的功能尚未研究。本研究繪制了轉(zhuǎn)錄因子PhoB在大腸桿菌基因組中的結合，揭示了大多數(shù)PhoB結合位點都位于基因內(nèi)。分析結果表明，基因內(nèi)PhoB結合位點與重疊基因調(diào)控無關。數(shù)據(jù)揭示了細菌可以耐受大量非調(diào)控性基因內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子結合位點的存在，且這些結合位點不受選擇性壓力影響。
研究使用染色質(zhì)免疫沉淀測序（ChIP-seq）和轉(zhuǎn)錄組測序（RNA-seq）對pho調(diào)控元件進行高分辨率的全基因組分析。研究對一組已知的pho調(diào)控基因進行分析和擴展，并鑒定出許多基因內(nèi)PhoB結合位點。分析結果顯示，絕大多數(shù)基因內(nèi)PhoB結合位點不保守，且與可檢測的調(diào)控功能無關。本研究數(shù)據(jù)表明，單個基因內(nèi)PhoB位點無功能，轉(zhuǎn)錄因子可以結合許多基因內(nèi)位點，對局部轉(zhuǎn)錄（local transcription）幾乎沒有影響。
實驗結果：
（1）磷酸鹽限制條件下PhoB的全基因組結合
圖1：C末端帶有FLAG3標簽的PhoB活性部分降低。qRT-PCR檢測在低磷酸鹽條件下生長的細胞中，野生型MG1655/pBAD24（wild type）、MG1655 ΔphoB（CDS091）/pBAD24（ΔphoB）和MG1655 phoB-FLAG3（DMF34）/pBAD24（phoB-FLAG3）中相對minD RNA對照的pstS RNA水平。值是三個生物學重復平均值；誤差線表示±1個標準差。圖2：ChIP-seq鑒定PhoB結合位點。
- ChIP-seq數(shù)據(jù)：（i）低磷酸鹽條件下的無標簽對照，（ii）低磷酸鹽條件下的PhoB-FLAG3標簽，（iii）高磷酸鹽條件下的PhoB-FLAG3標簽。三個基因組區(qū)域，其中一個數(shù)據(jù)來自兩個生物學重復。x軸表示基因組位點。y軸表示歸一化序列reads覆蓋范圍，正值表示序列reads比對到正義鏈，負值表示序列reads比對到反義鏈。
- 每個ChIP-seq peaks周圍100 bp區(qū)域顯著富集的DNA序列motif。
- PhoB結合位點相對于ChIP-seq peaks中心區(qū)域位點分析。
- ChIP-seq鑒定的PhoB結合位點的基因組背景餅圖。“基因內(nèi)和上游”位點是基因內(nèi)但注釋基因起始上游＜200bp位點。
表1：ChIP-seq鑒定的PhoB結合區(qū)域列表圖3：ChIP-seq和ChIP-ChIP數(shù)據(jù)集比較分析
- 本研究ChIP-seq數(shù)據(jù)和已發(fā)表的ChIP-ChIP數(shù)據(jù)集之間的共有區(qū)域中，每個ChIP-seq peaks周圍100 bp區(qū)域顯著富集的DNA序列motif。
- 本研究ChIP-seq數(shù)據(jù)的特異性區(qū)域，每個ChIP-seq peaks周圍100 bp區(qū)域顯著富集的DNA序列motif。
（2）pho調(diào)控元件的再評估
圖4：大腸桿菌野生型和ΔphoB菌株的RNA-seq分析。散點圖顯示野生型（MG1655/pBAD24）或ΔphoB（CDS091/pBAD24）細胞中所有基因的相對RNA水平。每個數(shù)據(jù)點對應一個基因，三角形數(shù)據(jù)點代表先前報道的pho調(diào)控元件中的基因，紅色三角形表示該轉(zhuǎn)錄本ChIP-seq鑒定的上游PhoB位點，灰色三角形表示沒有上游位點。紅色圓圈表示以前沒有報道過的基因位于pho調(diào)控元件中，但在ChIP-seq中鑒定出上游PhoB位點。藍色圓圈表示ChIP-seq鑒定出的內(nèi)部PhoB位點基因�；疑珗A圈表示所有其他基因。
圖5：pho調(diào)控元件潛在成員基因中RNAP（β亞基）占有率差異。
野生型MG1655（深色條）和MG1655 ΔphoB（CDS091；淺色條）中，ChIP-qPCR檢測的RNAP（β亞基）占有率是pho調(diào)控元件潛在成員的基因內(nèi)區(qū)域。左側(cè)示意圖顯示上游或內(nèi)部PhoB位點的基因（紅色垂直線）。水平條表示ChIP-qPCR中PCR擴增子位點，黑色條表示PhoB位點上游基因內(nèi)的擴增子，綠色條表示基因內(nèi)PhoB位點上游的擴增子，藍色條表示基因內(nèi)PhoB位點下游的擴增子。
（3）起始RNAP的PhoB依賴性招募
圖6：野生型和ΔPhoB細胞PhoB結合位點周圍σ70占有率差異。
散點圖顯示ChIP-seq鑒定的phoB結合位點周圍400bp區(qū)域在野生型MG1655和MG1655 ΔphoB（DMF84）中的歸一化σ70占有率。每個數(shù)據(jù)點代表一個PhoB結合位點�；蜷g結合位點由紅色數(shù)據(jù)點表示，基因內(nèi)結合位點由藍色數(shù)據(jù)點表示。與PhoB結合位點相關的基因在野生型和ΔPhoB細胞的σ70占有率相差>2倍。
（4）H-NS與許多基因內(nèi)PhoB位點相關聯(lián)，但不阻斷RNAP招募
圖7：H-NS抑制許多啟動子的轉(zhuǎn)錄
- 通過ChIP-seq鑒定的野生型MG1655和MG1655 Δhns（AMD565a）PhoB結合位點周圍400 bp區(qū)域的歸一化σ70占有率散點圖。
- 通過ChIP-seq檢測MG1655Δhns（AMD565a）細胞中所有σ70結合位點，鑒定出野生型MG1655和MG1655 Δhns（AMD565a）的歸一化化σ70占有率散點圖。
圖8：H-NS不抑制PhoB依賴性起始RNA聚合酶招募效應
（5）PhoB結合位點的序列保守性
圖9：PhoB結合位點在γ -變形菌屬（Gammaproteobacteria）物種中的保守性參考文獻：
Fitzgerald DM, Stringer AM, Smith C, Lapierre P, Wade JT. Genome-Wide Mapping of the Escherichia coli PhoB Regulon Reveals Many Transcriptionally Inert, Intragenic Binding Sites. mBio. 2023 Apr 17:e0253522.
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