转录基因沉默（Transcriptional gene silencing，TGS）是真核生物维持基因组稳定性的重要机制，在抑制转座子活性、防止基因组损伤和维持正常生长发育过程中发挥关键作用。在植物中，DNA甲基化是介导TGS重要的表观遗传标记。过去二十余年间，研究人员已经较为系统地阐明了DNA甲基化的建立、维持和去除机制，然而DNA甲基化下游如何进一步介导转录水平基因沉默，其具体分子机制仍未被完全解析。
近日，内蒙古大学钱伟强教授联合北京大学现代农业研究院薛彦研究员和南京师范大学孙林华研究员在国际知名学术期刊The Plant Cell在线发表了题为PRP8 regulates chromatin organization to enforce transcriptional gene silencing independent of DNA methylation的研究论文。该研究通过正向遗传学筛选，鉴定到剪接体核心组分PRP8是一个参与转录沉默的新因子，并揭示了其通过维持染色质高级结构介导DNA甲基化非依赖型转录基因沉默的新机制。
为了寻找DNA甲基化下游参与TGS过程的关键组分，钱伟强团队利用拟南芥d35S::LUC报告基因系统，在hdp1-5突变体背景下开展了正向遗传筛选，获得了多个能够恢复报告基因表达的抑制子突变体。除已知的RdDM（RNA-directed DNA methylation）通路因子以及染色质沉默因子外，还筛选到一个能够显著恢复LUC发光信号的抑制子突变体m155-7，并通过图位克隆和全基因组重测序鉴定到其为剪接体复合物的核心因子PRP8（Pre-mRNA processingfactor8）发生了点突变。PRP8编码一个经典的剪接子，是U5 snRNPs（small nuclearribonucleoproteins）的核心成员，在pre-mRNA剪接过程中发挥重要作用。研究发现，PRP8的点突变（prp8-12）不仅导致报告基因的激活，还诱导了内源基因SDC以及一些内源转座子（Transposable elements，TEs）如Solo-LTR、Copia28a等的激活。与以往鉴定到的许多影响DNA甲基化或siRNA积累的剪接因子（如ZOP1、STA1、RDM16）不同，全基因组重亚硫酸氢盐测序（Whole-genome bisulfite sequencing，WGBS）、sRNA测序和组蛋白修饰分析结果表明，prp8-12突变体中基因和TEs的激活并不伴随DNA甲基化水平、siRNA丰度或抑制性组蛋白修饰H3K9me2/H3K27me1的改变。
那么，PRP8究竟如何介导 转录 基因沉默？研究团队进一步利用细胞学观察和Hi-C染色体构象捕获技术，对 PRP8 缺失后的染色质结构进行了系统分析。结果发现， PRP8 突变导致拟南芥细胞核内异染色质中心明显解聚 。 同时，全基因组三维基因组结构发生广泛重塑 ， 表明 PRP8对维持着丝粒周围异染色质相互作用以及染色质高级结构是必需的 。 进一步研究发现，PRP8能够直接富集于发生 转录激活 的转座子和沉默基因位点。结合Hi-C分析结果，研究团队提出PRP8通过维持异染色质高级结构和三维基因组空间组织 介导 转录基因沉默（图1）。
图1.PRP8是异染色质凝聚和染色质结构的维持所必需的
遗传学实验证明PRP8与MORC6、HDA6、MOM1和NRPE1等已知沉默因子协同作用，共同维持转座子的稳定沉默。此外，通过对差异表达基因与差异剪接基因的关联分析，证明PRP8在TGS中的这一非经典功能在很大程度上独立于其传统的pre-mRNA剪接角色。
综上所述，该研究证明PRP8作为一个双功能因子，既参与RNA剪接，又作为染色质调节因子在DNA甲基化下游调控转录基因沉默。为理解植物基因组稳定性维持、转座子沉默以及染色质高级结构调控提供了新的理论框架，也为解析RNA加工过程与三维基因组结构之间的联系提供了新的研究方向。
北京大学现代农学院博士后齐立娟博士（现为中国农业大学生物学院副教授）和北京大学生命科学学院卓婉清博士为该论文的共同第一作者。内蒙古大学钱伟强教授、北京大学现代农业研究院薛彦研究员以及南京师范大学孙林华研究员为该论文的共同通讯作者。该研究得到了中国博士后科学基金及国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1093/plcell/koag167
热门跟贴