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(jī)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(duì)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(jī)制怎么形成的呢？
 
2018年，英國(guó)生物-植物科學(xué)類期刊Journal of Experimental Botany《實(shí)驗(yàn)植物學(xué)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(cè)序（ChIP-seq）等組學(xué)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(jī)制。

標(biāo)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(gè)發(fā)育基因
時(shí)間：2018-04-25
期刊：J Exp Bot
影響因子：IF 7.298
技術(shù)平臺(tái)：ChIP-seq、RNA-seq等
 
研究摘要：
本研究通過對(duì)野生型非脅迫（NS）（對(duì)照組）擬南芥與熱激（HS）（熱激組）擬南芥HSFA1b的ChIP-seq測(cè)序分析、熱激組與對(duì)照組的表達(dá)圖譜分析（RNA-seq）、蛋白結(jié)合圖譜與表達(dá)圖譜關(guān)聯(lián)分析等研究，共鑒定出952個(gè)差異表達(dá)的HSFA1b靶基因，其中至少85個(gè)與發(fā)育相關(guān)且主要在NS下結(jié)合。同時(shí)鑒定出1780個(gè)基因差異表達(dá)，但未與HSFA1b結(jié)合，其中281個(gè)具有發(fā)育相關(guān)功能。這些基因通過27個(gè)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(gè)反義RNA基因（cisNAT），揭示了進(jìn)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(dòng)子motif，表明HSFA1b是靶向共同應(yīng)激防御和發(fā)育基因的八個(gè)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(dǎo)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(zhǎng)和發(fā)育。
 
項(xiàng)目設(shè)計(jì)：
（1） 樣本選�。�
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(shí)驗(yàn)
（2）項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(duì)照和熱激條件下HSFA1b結(jié)合位點(diǎn)富集與聚類
（B）結(jié)合位點(diǎn)的重疊分析
（C）三類結(jié)合位點(diǎn)的GO富集分析對(duì)比
（D）三類結(jié)合位點(diǎn)在TSS位點(diǎn)附近的分布
（E）三類結(jié)合位點(diǎn)在基因組元件上的分布


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


（2）大多數(shù)HSFA1b靶基因都對(duì)熱激敏感
圖3：RNA-seq分析三類HSFA1B靶基因的表達(dá)
（A）三類HSFA1b靶基因的差異表達(dá)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(dá)HSFA1b部分模擬擬南芥熱激反應(yīng)
圖4：過表達(dá)HSFA1b部分模擬擬南芥熱激反應(yīng)
（A）熱激蛋白（HSP）在對(duì)照組、HSFA1b過表達(dá)組和熱激組之間的表達(dá)熱圖
（B）HSFA1b過表達(dá)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(dá)間接調(diào)控下游靶基因表達(dá)
圖5：HSFA1b可以通過調(diào)控TF基因表達(dá)來間接調(diào)控下游靶基因表達(dá)。
（A）差異HSFA1b靶轉(zhuǎn)錄因子（TF）在對(duì)照組、HSFA1b過表達(dá)組和熱激組之間的表達(dá)熱圖
（B）RT-qPCR挑選部分把靶TF基因進(jìn)行表達(dá)驗(yàn)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(dǎo)的HSFA1b分層調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。黃色節(jié)點(diǎn)是HSFA1b，紅色節(jié)點(diǎn)是其結(jié)合的TF，藍(lán)色節(jié)點(diǎn)是TF調(diào)控的下游差異表達(dá)基因。



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

（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(gè)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(gè)共定位TF的靶基因重疊分析；
（D）HSFA1b和7個(gè)共定位TF的重疊靶基因的GO富集分析
（E）由HSFA1b和多達(dá)7個(gè)其他轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的典型靶基因的IGV展示。
 
參考文獻(xiàn)：
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.