蓖麻基因组印迹的表观调控机制研究

Genomic imprinting, a Non-Mendelian inheritance phenomenon, often results in parent-of-origin specific differential expression of maternally and paternally inherited alleles and arises mainly in placenta tissues of animals and endosperm tissues of seed plants. Genomic imprinting is also a typical case in epigenetic study. In plants, genomic imprinting arising mainly in the triploid endosperms of angiosperm may play critical roles in regulating the development of endosperm and formation of seed size. Currently, studies on genomic imprinting have come to be a cut-edge field in epigenetics and endosperm development. Very recently, we identified 209 imprinted genes from the hybrid seeds of castor bean (a model plant for seed biology researches), where endosperm persists through the seed development. However, the molecular mechanism underlying why these imprinted genes arose remains unknown. In this proposal, our study is focused on dissecting the potential regulation mechanism of imprinted genes arisen in castor bean endosperms using genomic DNA methylation sequencing and modified chromatin identification (based on genomic CHIP-seq). According to the genomic SNPs obtained from our previous study, the structural characteristics of DNA methylation and histone H3 lysine 27 trimethylation (H3K27me3) associated with differential expression of imprinted genes will be obtained by mapping against castor bean reference genome. Hopefully, this study would provide novel insights into understanding the molecular mechanisms regulating the differential expression of imprinted genes in plant endosperms.

基因组印迹是一种不符合孟德尔规律的遗传现象，主要发生在动物的胎盘和植物的胚乳组织，也是近年来研究表观遗传的经典案例。基因组印迹主要引起父母本源等位基因的差异表达。在植物中，基因组印迹集中发生在被子植物的胚乳组织,对胚乳和种子发育控制可能具有至关重要的作用。解析基因组印迹发生的分子机制是近年来表观遗传学和种子生物学研究的前沿领域。在最近的研究中,我们利用双子叶典型的胚乳型蓖麻种子鉴别了209个印迹基因，并发现这些基因可能参与胚乳储存物质的生物合成过程，但不知道这些印迹基因发生的分子调控机制。本研究拟通过DNA甲基化基因组测序和H3K27me3的免疫沉淀测序（CHIP-seq），利用已经鉴别的高密度父母本SNPs、鉴别分析表达差异的等位基因在基因组甲基化和组蛋白富集区域的特征，集中解析印迹基因发生的分子调控机理，有望为理解植物胚乳基因印迹发生的遗传机理、以及分析印迹基因的演化提供崭新的证据。

植物胚乳发育研究一直是植物生殖发育和作物遗传育种关注的热点领域。基因组印迹对胚乳发育和种子大小形成可能具有重要调控作用。我们之前在蓖麻胚乳中鉴定到了209个印迹基因，然而这些基因的调控机制并不清楚。模式植物中的研究发现，DNA甲基化和组蛋白修饰(如H3K27me3、H3K4me3)参与印迹基因的形成。为阐明蓖麻胚乳基因印记的分子遗传机制，本研究以授粉后35天的蓖麻正反交胚和胚乳对其进行DNA甲基化测序 和组蛋白H3K4me3，H3K27me3抗体标记的染色质免疫共沉淀实验并结合高通量测序，探讨表观 修饰对基因印迹的表达调控。此外，本研究同时还探讨了在以ZB306为母本的胚乳材料中H3K9ac和H3K36me3对印迹基因调控的可能机制。. 结果发现：在蓖麻中，胚和胚乳具有不同的甲基化模式，从而影响基因的表达。但是DNA甲基化对印迹基因的调控非常有限。只有9个印迹基因可能受到DNA甲基化的影响；H3K4me3、H3K9ac和H3K36me3显著富集到基因的转录起始位点（TSS）上，并且与高水平的基因表达相关。而H3K27me3整个基因body上都有富集，与抑制的基因表达相关；在蓖麻胚乳全基因组鉴定到581个印迹的H3K4me3靶位点和91个印迹的H3K27me3靶位点。母本表达的印迹基因上的H3K4me3靶位点显著富集到母本等位基因。相反地，父本表达的印迹基因上的H3K4me3靶位点偏爱富集到父本等位基因，说明H3K4me3很可能参与调控印迹基因。然而，91个印迹的H3K27me3靶位点并未定位到任何一个印迹基因，说明有可能在H3K27me3可能并不调控印迹基因的表达。在以ZB306为母本的胚乳材料中，我们发现母源印迹基因上的H3K9ac和H3K36me3靶位点显著富集到ZB306基因组上，说明二者极有可能参与调控MEG的表达。. 以上结果探索了DNA甲基化，组蛋白甲基化、乙酰化等表观修饰与印迹基因的关联，为蓖麻印迹基因的调控机制做出了一定程度的解析。该结果将有助于我们进一了解植物胚乳中印记基因的表观调控模式并为新种质培育提供重要基础数据。

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