文獻(xiàn)

2023

Genome Biology?

Dynamic chromatin regulatory programs during embryogenesis of hexaploid wheat

課題背景

（1）胚胎發(fā)生是指配子融合后產(chǎn)生一個新的有機體，它代表的發(fā)育的開始。在哺乳動物中，已經(jīng)利用全基因組染色質(zhì)分析技術(shù)進(jìn)行了早期胚胎發(fā)育過程的時間序列表觀調(diào)控分析，這些開創(chuàng)性研究揭示了表觀遺傳重塑在胚胎發(fā)育中的重要作用。表觀調(diào)控伴隨了哺乳動物早期胚胎發(fā)生過程的一系列事件，包括母源-合子轉(zhuǎn)換（MZT）、合子基因組激活（ZGA）、譜系特化和命運決定，以及組織命運分化。在以上過程中，組蛋白修飾經(jīng)歷了廣泛的重塑，表現(xiàn)出保守和特異性的模式。?

（2）在植物領(lǐng)域，尤其是對于復(fù)雜基因組的作物，對于表觀遺傳動態(tài)的了解仍然大部分未知。對比植物和動物的胚胎發(fā)育過程能找到一些共性和差異。植物和動物共享一種通用的細(xì)胞分化策略，細(xì)胞命運的決定伴隨著胚胎細(xì)胞分裂。此外，兩者的轉(zhuǎn)錄程序都遵循相同的“沙漏模型”，同一門類下的物種在胚胎發(fā)育在早期和晚期表現(xiàn)出轉(zhuǎn)錄的差異，而在中期相似。與此相反，不同門類下的物種在胚胎發(fā)育早期和晚期相似，而中期存在差異。?

（3）小麥?zhǔn)且环N重要的糧食作物，由于其基因組倍性復(fù)雜，利用小麥作為模型闡明多倍體胚胎發(fā)育過程的基因組和表觀組調(diào)控更具有重大意義。六倍體小麥（AABBDD）源自三種可能的二倍體野生草本祖先物種的兩次雜交和多倍化事件。有研究對多倍體小麥和二倍體祖先在胚胎發(fā)育期間的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行了定位，揭示了基因表達(dá)的進(jìn)化分歧以及A、B和D亞基因組對谷物發(fā)育的貢獻(xiàn)。

亮點

對小麥而言，表觀遺傳及其轉(zhuǎn)錄調(diào)控能力對細(xì)胞命運轉(zhuǎn)變的貢獻(xiàn)仍需闡明。為填補這一空白，作者對六倍體小麥胚胎發(fā)育的八個典型階段中繪制了轉(zhuǎn)錄組和表觀遺傳圖譜，用于研究胚胎發(fā)育過程六倍體基因組的表觀遺傳調(diào)控。

結(jié)論1?小麥胚胎發(fā)育過程表觀圖譜

Fig 1a-d

作者對開花后0，2，4，6，8，12，16，22天進(jìn)行了7種組蛋白修飾以及H2A.Z的CUT&TAG測序、ATAC-seq以及轉(zhuǎn)錄組測序（Fig 1a）。轉(zhuǎn)錄組包含三個生物學(xué)重復(fù)，其他數(shù)據(jù)各兩個生物學(xué)重復(fù)。

植物胚胎發(fā)育通常分為三個階段：

（1）胚胎發(fā)育早期，在此期間受精后形成了一種全能的合子；

（2）胚胎發(fā)育中期，在此期間建立了主要的細(xì)胞譜系和體型模式

（3）胚胎發(fā)育晚期，在此期間成熟胚胎積累養(yǎng)分，隨后進(jìn)入種子休眠期。

Fig 1e-f

RNA-seq和ATAC-seq在主成分分析種展示出一個連續(xù)的軌跡（Fig 1b, e），而組蛋白修飾展示出一個具有明顯階段性轉(zhuǎn)換的模式。

GO富集顯示，DNA復(fù)制相關(guān)功能在胚胎發(fā)育的早期被富集，與器官/組織分化相關(guān)的基因在胚胎發(fā)育中期被富集，而養(yǎng)分積累和休眠相關(guān)的基因在胚胎發(fā)育晚期被富集（Fig 1c）。

已知的與胚胎發(fā)育相關(guān)的基因，如WOX11、LEC2、ARR6和ABI5，在小麥、短柄草和擬南芥之間顯示出保守的表達(dá)模式，但是其他基因，如YUC1，則沒有保守模式（Fig 1d），這說明了單雙子葉植物胚胎發(fā)育過程的異同。

DPA8是命運轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵階段，在此之前染色質(zhì)可及性逐漸積累，此階段之后逐漸下降（Fig 1f）。值得注意的是，大部分染色質(zhì)可及性的峰距離TSS上游較遠(yuǎn)（Fig 1g），與小基因組物種相比，這一距離明顯更遠(yuǎn)。

綜上所示，作者構(gòu)建了六倍體小麥胚胎發(fā)育過程完整的表觀組、轉(zhuǎn)錄組和染色質(zhì)可及性圖譜。組蛋白修飾和染色質(zhì)可及性與基因轉(zhuǎn)錄的一致性變化有助于闡明小麥胚發(fā)生中多種調(diào)控事件的表觀遺傳基礎(chǔ)。

結(jié)論2?明顯的近端和遠(yuǎn)端染色質(zhì)可及性的動態(tài)變化

Fig 2a-b

對于ATAC-seq數(shù)據(jù)，作者共鑒定到1,315,547個可及性區(qū)域（ACR），根據(jù)其相對于基因的位置，進(jìn)一步分成了基因體(g)-啟動子(p)-遠(yuǎn)端(d)類型的峰（Fig 2a），p-ACR和g-ACR都與轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)（Fig 2a-b）。

Fig 2c-f

在胚胎發(fā)生過程中，p-ACR和d-ACR的增加和減少是不同的，許多基因在DPA2后獲得了p-ACR，但是在DPA12和DPA16胚胎發(fā)育后期失去p-ACR，75%的ACR在DPA8時表現(xiàn)出急劇的爆發(fā)，然后再DPA12迅速下降（Fig 2c）。

作者進(jìn)一步分析了DPA8中“瞬時”的d-ACR和DPA8、DPA6或DPA12中“恒定”的d-ACR的特征（Fig 2d-e）。“恒定”的d-ACR通常富集了活性染色質(zhì)狀態(tài)，如Pol II和H3K27ac修飾，同時缺乏轉(zhuǎn)座子和異染色質(zhì)相關(guān)的組蛋白修飾，如H3K9me2。相比之下，“瞬時”的d-ACR區(qū)域包含了更高比例的轉(zhuǎn)座子且相對富集H3K9me2（Fig 2e）。此外，作者還分析了非編碼RNA的含量，發(fā)現(xiàn)DPA8與DPA6和12相比，具有更高的非編碼RNA水平（Fig 2f）。

Fig 2g-h

值得注意的是，超過74%的“瞬時”d-ACR標(biāo)記的非編碼RNA是從轉(zhuǎn)座子位點轉(zhuǎn)錄的（Fig 2g）。因此，在DPA8時期的某些d-ACR的爆發(fā)可能與胚胎發(fā)育期間轉(zhuǎn)座子的瞬時表達(dá)相關(guān)。

除了時間動態(tài)之外，六倍體小麥的亞基因組在染色質(zhì)可及性方面表現(xiàn)出相當(dāng)大的差異，尤其是在著絲點和端粒區(qū)域（Fig 2h）。

總之，再胚胎發(fā)育過程，近端和遠(yuǎn)端的染色質(zhì)可及性經(jīng)歷了不同程度的重編程。有趣的是，亞基因組中大部分遠(yuǎn)端調(diào)控和染色質(zhì)可及性的不對稱性在六倍體基因組中表現(xiàn)出獨有的特性。

結(jié)論3?胚胎發(fā)育過程物種特異性的染色質(zhì)重塑

Fig 3a

為了推斷染色質(zhì)狀態(tài)，作者利用ChromHMM整合了四個階段（DPA0、2、4、8）的8種組蛋白修飾和Pol Ⅱ的占位情況。一共鑒定出12種染色質(zhì)狀態(tài)，進(jìn)一步可以分成五大類：啟動子(Pr)、增強子(EnL)、轉(zhuǎn)錄(Tr)、多梳家族(PcG)、異染色質(zhì)(Hc)（Fig 3a）。

Fig 3b

啟動子和增強子更富含H3K27ac、ATAC-seq信號、組蛋白變異體H2A.Z和Pol II占有率（Fig3a、3b）。

Fig 3c-f

正如預(yù)期的，不同胚胎階段之間的染色質(zhì)狀態(tài)發(fā)生了顯著變化（Fig 3c），約有10%的基因組在相鄰的發(fā)育階段之間改變了染色質(zhì)狀態(tài)（Fig 3d），其中以啟動子和增強子的變化最為顯著（Fig 3e）。

在小鼠和人類中，H3K4me3和H3K27me3在受精后立即發(fā)生廣泛的重編程，這對早期胚胎發(fā)育至關(guān)重要。因此，作者研究了小麥胚胎發(fā)育過程中上述組蛋白修飾的動態(tài)變化。由于這些組蛋白修飾在基因間區(qū)域呈現(xiàn)出廣泛分布，作者將近端和遠(yuǎn)端區(qū)域分開。全基因組的H3K4me3在近端和遠(yuǎn)端區(qū)域都表現(xiàn)出適度的變化，H2A.Z也是如此（Fig 3f）。相反，H3K27ac在胚胎發(fā)育前期急劇下降，然后在中期恢復(fù)并保持高水平，隨后在晚期和成熟胚胎階段逐漸減少（Fig 3f）。對于H3K27me3，在胚胎階段前期發(fā)生了急劇的清除，然后在晚期和成熟階段逐漸恢復(fù)并保持高水平（Fig 3f）。

Fig 3g

有趣的是，六倍體小麥的亞基因組即使在同源區(qū)域中，也展現(xiàn)出不同的組蛋白修飾豐度（Fig 3g）。H3K27me3在亞基因組之間的變化較活性組蛋白標(biāo)記（如H3K27ac、H3K4me3）和組蛋白變體H2A.Z更大（Fig 3g）。

Fig 3h

綜上所述，作者揭示了小麥胚胎發(fā)育過程中組蛋白修飾重編程的物種特異性動態(tài)模式（Fig 3f, 3h）。多倍體小麥的不同亞基因組具有不同的組蛋白修飾，尤其是抑制性組蛋白修飾H3K27me3（Fig 3g）。

結(jié)論4?H3K27ac、H3K27me3和染色質(zhì)的重編程調(diào)控了胚胎發(fā)育早期的基因表達(dá)

Fig 4a-g

受精后，母源程序被沉默，然后是合子基因的激活，這個過程中在動物和高等植物中都發(fā)生了表觀遺傳重組。在小麥胚胎發(fā)育過程中，基因激活主要發(fā)生在DPA2和DPA4，包括與合子激活相關(guān)的細(xì)胞周期和細(xì)胞因子信號通路基因（Fig 4a）。此外，活性的組蛋白修飾H3K27ac和H3K4me3在下調(diào)基因中出現(xiàn)了不同程度的降低，而在上調(diào)基因中幾乎沒有變化（Fig 4b），這與哺乳動物中的發(fā)現(xiàn)不同。H3K27me3在上調(diào)和下調(diào)基因中均減少，表明H3K27me3可能不是調(diào)控基因差異表達(dá)的主要原因。相反，在下調(diào)的基因中，染色質(zhì)可及性變化不大，但在上調(diào)基因中有所增加（Fig 4b）。

這些數(shù)據(jù)表明，活性組蛋白修飾的喪失可能有助于基因沉默，而染色質(zhì)可及性的增加伴隨H3K27me3的減少可能會觸發(fā)基因的激活。事實上，H3K27ac和H3K4me3中的任一或兩者的減弱在下調(diào)基因中廣泛存在（Fig 4c, d），在同時喪失這兩種修飾的情況下，下調(diào)基因顯著減少。與H3K4me3相比，H3K27ac的重編程效果更為顯著（Fig 4d）。

同時出現(xiàn)活性組蛋白修飾降低和轉(zhuǎn)錄水平降低的基因主要是一些母源沉默的基因，例如花發(fā)育基因AP2、與信號傳導(dǎo)相關(guān)的基因MAPKKK17，以及花柱發(fā)育相關(guān)的基因IAA1等（Fig 4e）。

染色質(zhì)可及性增加的基因與轉(zhuǎn)錄上調(diào)的基因顯著重疊（Fig 4f, g），這些基因的功能與合子啟動相關(guān)，如DNA復(fù)制、細(xì)胞周期、異染色質(zhì)等（Fig 4e）。

Fig 4h-i

在合子啟動后，作者觀察到DPA4的H3K27me3在全基因組水平出現(xiàn)明顯下降，但在DPA8處迅速重建（Fig 4h）。對于必要的胚胎發(fā)育基因，如LEC1、BBM、WOX11和ARR12，在胚胎發(fā)育前期（DPA4）觀察到H3K27me3減少，H3K27ac和ATAC-seq信號增加，而H3K4me3在DPA2處的變化有限（Fig 4i）。

Fig 4j-m

大約90%的H3K27me3消除區(qū)域在DPA4到DPA8階段被重建，伴隨了大量新獲得的H3K27me3區(qū)域（Fig 4j）。H3K27me3的消除與細(xì)胞分裂素途徑和必要的胚胎基因相關(guān)。

整體而言H3K27me3與轉(zhuǎn)錄呈明顯的負(fù)相關(guān)（Fig 4k）。然而，僅僅降低H3K27me3無法解釋從DPA2到DPA4的基因激活（Fig 4k, l）。值得注意的是，H3K27me3的減少區(qū)域與H3K27ac和染色質(zhì)可及性的增加區(qū)域高度重疊（Fig 4l）。重疊區(qū)域的基因表現(xiàn)出顯著的激活，因此作者認(rèn)為增加染色質(zhì)可及性會產(chǎn)生更顯著的效果（Fig 4l）。

此外，在DPA4后，有561個基因的轉(zhuǎn)錄激活表現(xiàn)出與染色質(zhì)可及性增加高度同步的模式（Fig 4m），這種同步可能確保了基因激活的適當(dāng)時機。例如，胚胎發(fā)育的必要基因LEC1首先被激活，然后是多能基因ARR12，以及后續(xù)的分化基因XMXL5和IPS2（Fig 4m）?？傊@表明H3K27me3的重置會消除胚胎發(fā)育基因上的染色質(zhì)水平的障礙，這些基因隨著染色質(zhì)可及性的增加而逐漸激活。

相比之下，全基因組的H3K27me3在DAP6逐漸獲得，并在DAP8時完全恢復(fù)（Fig 4h, i），這表明重新獲得H3K27me3可能對胚胎的正常發(fā)育至關(guān)重要。進(jìn)一步，作者通過實驗驗證證明了PRC2介導(dǎo)的H3K27me3的積累對小麥胚胎發(fā)育是必要的。

總體而言，組蛋白修飾的重編程，特別是H3K27ac和H3K27me3，以及在胚胎發(fā)育早期建立的染色質(zhì)可及性對胚胎發(fā)育至關(guān)重要。

結(jié)論5?轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)調(diào)控了胚胎發(fā)育過程

Fig 5a-d

胚胎發(fā)育過程伴隨了精細(xì)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，轉(zhuǎn)錄因子與靶基因以及轉(zhuǎn)錄因子自身之間復(fù)雜的關(guān)系可以通過連續(xù)的轉(zhuǎn)錄軌跡來很好地體現(xiàn)（Fig 5a, b）。作者根據(jù)主成分分析展示從胚胎發(fā)育早期到成熟胚胎的各個階段的轉(zhuǎn)錄和染色質(zhì)可及性的偽時間序列（Fig 5b），觀察到基因表達(dá)與染色子可及性（p-ACRs）存在明顯的關(guān)聯(lián)（Fig 5c），推測p-ACR和轉(zhuǎn)錄因子共同調(diào)控這些基因的表達(dá)。作者比較了胚胎發(fā)育早期（C1和C2）以及胚胎發(fā)育晚期（C3和C4）中表達(dá)的基因的功能，發(fā)現(xiàn)早期上調(diào)的基因主要參與細(xì)胞分裂，而晚期表達(dá)的基因主要參與細(xì)胞類型的分化（Fig 5d）。

Fig 5e-g

作者對C1-C4的pACR進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄因子預(yù)測，早期形成的pACR可能與促進(jìn)細(xì)胞全能性的基因相關(guān)，如LEC1、MYB118、WUS等（Fig 5e）。相比之下，后期的pACR主要與種子休眠等功能相關(guān)（Fig 5e）。

進(jìn)一步，作者結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點以及基因共表達(dá)來解析該過程的調(diào)控關(guān)系，共鑒定到1158個成對的TF-cis motif的相互作用，包括154個靶基因，695個ACR和191個轉(zhuǎn)錄因子（Fig 5f）。通過提取轉(zhuǎn)錄因子-轉(zhuǎn)錄因子網(wǎng)絡(luò)（Fig 5g），作者確定了網(wǎng)絡(luò)中心的四個關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，包括TCPs、ARFs、MYBs和WOXs。

Fig 5h-i

作者發(fā)現(xiàn)LEC1、MYB118和ZHD15基因在胚胎發(fā)育早期高度表達(dá)，LEC2的表達(dá)高峰出現(xiàn)在過渡階段，BBM逐漸在胚胎發(fā)育中期被誘導(dǎo)，這表明存在一個潛在的調(diào)控順序（Fig 5h）。進(jìn)一步，作者通過實驗驗證了LEC1、MYB118、ZHD5、LEC2和BBM基因的調(diào)控關(guān)系（Fig 5i）。

結(jié)論6?胚胎成熟過程中與全能性降低和限制器官發(fā)生相關(guān)的染色質(zhì)凝聚

Fig 6a-c

隨著胚胎的成熟，細(xì)胞逐漸失去全能性并發(fā)生分化。在這一部分，作者想知道全能性是如何減弱的以及為什么在胚胎成熟期間不形成末端器官。首先，作者鑒定了在末端器官（如根和葉）中特異性表達(dá)的基因。作為對照，全能基因（Fig 6a中的Toti）是胚胎發(fā)育階段高表達(dá)的基因。作者評估了Fig 6a中三類基因的染色質(zhì)景觀，發(fā)現(xiàn)H3K27me3修飾在末端器官特異性基因上消散，ATAC-seq信號在全能基因和特異性基因上明顯存在（Fig 6b-c）。在胚胎愈傷組織（EC）中，全能性基因和器官特異性基因的啟動區(qū)域具有高染色質(zhì)可及性和低H3K27me3水平（Fig 6b-c）。因此，作者提出染色質(zhì)可及性和H3K27me3協(xié)同調(diào)控器官識別基因的激活潛力，染色質(zhì)可及性而非H3K27me3介導(dǎo)的抑制對于全能性基因的沉默是不可或缺的。

Fig 6d-f

事實上，幾個與再生相關(guān)的基因，如REV、SAUR41、CKX7和DDM1，在胚胎成熟時逐漸表達(dá)下降，伴隨了染色質(zhì)可及性的降低，但在愈傷誘導(dǎo)過程中被激活（Fig 6d）。

最后，我們分析了植物器官形成背后的基因調(diào)控邏輯。WRKYs和AtHB 的轉(zhuǎn)錄因子足跡在根和葉的特異基因的調(diào)控區(qū)域中富集，而bHLH和GATA的轉(zhuǎn)錄因子足跡在兩個基因集中都富集）。值得注意的是，幾乎有半數(shù)轉(zhuǎn)錄因子沒有顯示出器官特異性表達(dá)，而是表現(xiàn)出廣譜模式，這表明轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)本身不能決定器官特異性。例如，盡管WRKY75在胚胎成熟期間表達(dá)并具有與根中的AMT1;1結(jié)合而激活的能力（Fig 6e），但由于啟動區(qū)域的H3K27me3抑制和低染色質(zhì)可及性，AMT1;1被沉默了（Fig 6f）。

綜上，作者認(rèn)為H3K27me3和染色質(zhì)可及性的變化影響了小麥正常的胚胎成熟過程，降低了全能型但是并沒有導(dǎo)致廣泛的器官發(fā)生。

結(jié)論7?表觀遺傳調(diào)控有助于多倍體基因組的亞基因組分化和階段特異性的表達(dá)變化

Fig S8

由于小麥?zhǔn)且环N異源六倍體，作者進(jìn)一步研究了表觀調(diào)控多倍體的影響。作者首先基于基因的進(jìn)化年齡對基因進(jìn)行了聚類（Fig S8a），發(fā)現(xiàn)大多數(shù)屬于小麥屬的特有基因，特別是來自A. tauschii（DD）的基因，沒有參與胚胎發(fā)育（Fig S8a、S8b）。對于存在于所有三個亞基因組中的同源三聯(lián)體，除了已經(jīng)被報道的組蛋白修飾外，染色質(zhì)可及性也與差異表達(dá)模式相關(guān)。至于差異表達(dá)的同源三聯(lián)體，被抑制的三聯(lián)體通常多于表達(dá)的三聯(lián)體，D亞基因組的被抑制的三聯(lián)體相對較少，而A和B亞基因組的被抑制的三聯(lián)體較多。在胚胎發(fā)育中期，較胚胎發(fā)育早期和晚期，有更多的平衡表達(dá)的三聯(lián)體存在（Fig S8c）。

Fig 7a-e

多倍化可能驅(qū)動基因的新功能化或亞功能化，以賦予表型的可塑性。作者通過計算六倍小麥（AABBDD）與祖先（AA/BB/DD/AABB）之間的Pearson相關(guān)系數(shù)，把基因分成功能失調(diào)類（dysfunction）、中間類（middle）和保守類（conserved, Fig 7a）。如預(yù)期那樣，保守類基因大多是同源三聯(lián)體，具有亞基因組平衡的表達(dá)，顯示出更高的序列保守性和更強的負(fù)選擇（Fig 7b, c）。然而，相當(dāng)比例的功能失調(diào)基因（8%，1096個基因）與祖先相比在六倍小麥中表達(dá)發(fā)生了變化，但序列變異輕微，并受到強烈的負(fù)選擇（Fig 7c）。這些基因的啟動子，特別是TSS上游約1.5-3kb處，更傾向于被TE插入（Fig 7d）。有趣的是，TE插入?yún)^(qū)域傾向于是染色質(zhì)可及的并富集了H3K27ac修飾（Fig 7e）。

Fig 7f

例如，TaUGT91C1在六倍小麥中表現(xiàn)出B亞基因組的高表達(dá)，與其祖先不同（Fig 7f）。因此，與其A或D亞基因組的對應(yīng)部分相比，B亞基因組中發(fā)現(xiàn)了擁有更高染色質(zhì)可及性的啟動子。

Fig 7g-i

先前的一項關(guān)于胚胎發(fā)育的研究揭示了在六倍小麥和四倍小麥以及二倍小麥的祖先之間存在一個保守的“沙漏模型”。在這里，作者發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)錄分化的發(fā)育階段特異性模式。在六倍小麥本身以及六倍小麥與其祖先之間的同源三聯(lián)體比較中，呈現(xiàn)出明顯的中期過渡，將兩個保守的早期和晚期發(fā)育階段分開（Fig 7a, g）。因此，作者假設(shè)不同的調(diào)控因素可能導(dǎo)致了這種分歧。事實上，H3K27ac主要對胚胎發(fā)育中期產(chǎn)生影響，而不影響早期和晚期階段，而H3K27me3和染色質(zhì)可及性則表現(xiàn)相反（Fig 7h）。此外，chromVAR分析表明關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子主要在胚胎發(fā)育中期發(fā)揮作用（Fig 7h）。因此，表達(dá)分化的階段特異性模式可能受到胚胎發(fā)育早期和晚期的染色質(zhì)水平的調(diào)控，而cis-啟動子和轉(zhuǎn)錄因子主要在胚胎發(fā)育中期發(fā)揮作用（Fig 7i）。