ChIP-seq等揭示H3K4me1修飾在蜜蜂級型分化中的表觀遺傳調(diào)控機制

蜜蜂是一種真社會性昆蟲，是研究社會性昆蟲級型發(fā)育和級型分化的重要模式生物，其分工主要基于級型分化（蜂王(queen)和工蜂(worker)）。分化后，盡管基因組相同，但蜂王和工蜂具有不同的形態(tài)、生理、行為和壽命相關特征，級型分化的背后機制尚未完全了解。有證據(jù)表明，蜂王和工蜂之間營養(yǎng)狀況的差異通過改變DNA甲基化模式來調(diào)節(jié)級型分化。此外Wnt信號通路、雷帕霉素靶蛋白（target of rapamycin，TOR）、營養(yǎng)響應通路和絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）通路等各種信號通路都與蜜蜂級型分化有關。然而沒有證據(jù)表明組蛋白甲基化有助于蜜蜂發(fā)育，組蛋白甲基化在蜜蜂級型分化中的作用尚未確定。
 
2023年03月25日，江西農(nóng)業(yè)大學蜜蜂研究所曾志將教授團隊在《Int J Mol Sci 》期刊以“H3K4me1 Modification Functions in Caste Differentiation in Honey Bees“為題發(fā)表研究論文，該研究首次在蜜蜂級型分化的關鍵時間點(3齡期)之前(2齡期)和之后(4齡期)的H3K4me1分布進行了全基因組分析。研究結果表明，與2齡期相比，4齡期時的差異表達基因(DEG)和H3K4me1標記數(shù)量顯著增加，且基因表達與H3K4me1呈負相關。進一步分析表明，蜂王和工蜂的染色質(zhì)模式在4齡期時存在顯著差異。H3K4me1修飾促進了工蜂幼蟲發(fā)育。本研究結果揭示了H3K4me1在蜜蜂幼蟲發(fā)育和級型分化中的重要作用。



標題：H3K4me1 Modification Functions in Caste Differentiation in Honey Bees（H3K4me1修飾在蜜蜂級型分化中的作用）
時間：2023-03-25
期刊：INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES
影響因子：IF 6.208
技術平臺：ChIP-seq、RNA-seq、qRT-PCR等

摘要：
蜜蜂是表觀遺傳學研究的重要物種，具有相同基因型的雌性蜜蜂幼蟲可以根據(jù)飲食等條件發(fā)育成表型不同的生物（不育工蜂和可育蜂王）。先前的研究表明，DNA甲基化和組蛋白修飾可以建立不同的基因表達模式，導致級型分化。目前尚不清楚組蛋白甲基化修飾H3K4me1是否也能影響級型分化。本研究分析了蜂王和工蜂幼蟲的全基因組H3K4me1修飾，發(fā)現(xiàn)在2齡期和4齡期的工蜂幼蟲中，H3K4me1標記比蜂王幼蟲中更為富集，且許多與級型分化相關基因存在差異甲基化。值得注意的是，啟動子區(qū)域的級型特異性H3K4me1可以誘導工蜂發(fā)育�？傊�，本研究結果表明，H3K4me1修飾可能是蜜蜂級型特異性轉(zhuǎn)錄程序構建和維持的重要調(diào)控因子；當然不排除其他表觀遺傳學修飾的潛在影響。

研究結果：
（1）蜜蜂的H3K4me1修飾在轉(zhuǎn)錄區(qū)域富集 （2）級型分化特異性H3K4me1修飾模式與差異基因表達的相關性

1. 不同H3K4me1修飾基因和DEG在蜂王和工蜂之間的重疊分析Venn圖。
2. 蜂王和工蜂之間富集差異相對于H3K4me1信號的負對數(shù)p值的火山圖。紅色區(qū)域表示H3K4me1修飾在蜂王中上調(diào)。藍色區(qū)域表示H3K4me1修飾在工蜂中上調(diào)�；疑�表示無顯著差異（p>0.05）。
3. 通過ChIP-seq鑒定的蜂王和工蜂幼蟲之間表達顯著差異的散點圖（x軸）與蜂王和工蜂幼蟲之間轉(zhuǎn)錄本表達的Log2FC（y軸）。紅色表示RNA-seq和ChIP-seq鑒定的差異一致。藍色表示RNA-seq和ChIP-seq獲得相反模式�；疑�表示沒有顯著差異（p>0.05）。

  A-D.   在2Q (A)、2W (B)、4Q (C)和4W (D)中，特異性H3K4me1修飾富集相關基因的蜜蜂級型分化KEGG通路是負log2 p值。紅色字體標記的是與級型分化相關通路，而黑色字體則不相關。
E.     2Q vs 2W中，H3K4me1 peaks相關差異基因的KEGG通路富集分析。
F.     4Q vs 4W中，H3K4me1 peaks相關差異基因的KEGG通路富集分析。
 
（3）工蜂級型表征可能由H3K4me1誘導

1. 幼激素酯酶(Juvenile hormone esterase，JHe;LOC406066)基因在2齡期和4齡期均達到全基因組顯著性(p≤0.01)，且H3K4me1修飾具有2倍以上差異。
2. 差異表達的候選級型分化相關轉(zhuǎn)錄本的RNA表達水平和H3K4me1豐度。

最后，研究選擇5個在蜜蜂級型分化中具有既定作用的基因進行qRT-PCR驗證，5個基因分別為JHe（Juvenile hormone esterase）、Vg（Vitellogenin，LOC406088）、JHAMT（juvenile hormone acid O-methyltransferase，LOC724216）、Hex70a（hexamerin 70a，LOC726848）和Hsp90（heat shock protein 90，LOC408928）。結果驗證了本研究轉(zhuǎn)錄組結果與之前研究結果一致，H3K4me1富集趨勢與轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)趨勢一致，支持了本研究結果的可靠性。幼激素（Juvenile hormone，JH）是蜜蜂級型分化的主要調(diào)節(jié)因子，Vitellogenin是JH的拮抗因子。H3K4me1在2齡期和4齡期工蜂Vg基因中富集顯著高于蜂王。這些結果進一步支持了H3K4me1修飾在調(diào)控轉(zhuǎn)錄中的作用，并揭示H3K4me1和轉(zhuǎn)錄本協(xié)同調(diào)控對蜜蜂級型分化的影響。
 
結論
本研究通過ChIP-seq和對應的RNA-seq等實驗，在蜜蜂的級型分化過程中，觀察到蜂王和工蜂幼蟲之間H3K4me1修飾的顯著差異。染色質(zhì)修飾可以調(diào)節(jié)決定蜜蜂級型基因轉(zhuǎn)錄。此外，H3K4me1修飾與工蜂幼蟲發(fā)育的調(diào)控密切相關，可能是工蜂發(fā)育通路中的一個重要修飾。本研究結果表明了組蛋白甲基化對蜜蜂發(fā)育的貢獻，并可能有助于進一步研究級型分化和發(fā)育可塑性。

參考文獻：
Zhang Y, Li Z, He X, Wang Z, Zeng Z. H3K4me1 Modification Functions in Caste Differentiation in Honey Bees. Int J Mol Sci. 2023 Mar 25;24(7) pii: ijms24076217.