CGM第435期：植物三维基因组结构、机制与功能研究
南京师范大学生命科学学院
南京师范大学生命科学学院特岗研究员。2015年获得南京师范大学理学学士学位，2020年获得北京大学理学博士学位（导师钱伟强研究员和何航研究员），2021年-2024年在北京大学邓兴旺/何航课题组从事博士后研究。2024年加入南京师范大学从事独立研究工作。主要从事表观遗传学和生物信息学的前沿交叉研究，采用三维基因组、生物信息和分子遗传学等研究手段，围绕植物染色质高级结构、功能与演化等方面开展工作；同时鉴定对植物发育和环境适应性具有关键功能的增强子，并进一步挖掘此类远距离顺式作用元件发挥生物学功能的分子机理，以期为作物遗传改良和产业降本增效提供理论基础。以第一作者（含共同）在相关领域发表了系列有影响力学术论文（Nature Communications, 2020 & 2024; Science Advances, 2020; Nature Plants, 2022; Plant Biotechnology Journal, 2024; Journal of Integrative Plant Biology, 2023; Plant Cell, 2022）。
染色质高级结构调控真核细胞基因表达并维持基因组稳定性。植物超高分辨率下（超过1kb）的结构仍不清楚，严重影响对局部结构域和顺式调控元件的系统分析。同时，植物中捕获增强子-启动子环缺乏高效无偏的策略。本研究首次在植物中改进并应用Micro-C-XL：一种基于高通量染色质构象捕获（Hi-C）的技术、优化细胞核交联、使用甲醛和EGS的组合形式进行双交联，并使用MNase核酸酶进行切割，成功解析了单个核小体分辨率的染色质高级结构互作图谱，并成功应用在拟南芥、水稻和大豆等中。基于核小体分辨率的染色质互作图谱，拟南芥中鉴定到了>14000个染色质结构域边界，这些边界主要与染色质可及性、表观修饰和转录因子密切相关。同时我们发现了RNA Pol II介导的转录延伸控制基因主体水平的染色质结构域的形成。更重要的是，基于该超高分辨率图谱鉴定到了大量增强子/超级增强子-启动子之间的染色质互作环，为植物中顺式作用元件与基因互作模式提供新的研究角度。进一步整合大规模转录因子和染色质蛋白因子的ChIP-Seq数据鉴定到了MORC6、Pol V和SYD等蛋白可能参与直接控制染色质环的形成。
综上所述，基于首次多个植物核小体分辨率图谱和生物信息分析，我们将植物染色质高级结构的研究，成功从1-2kb推进到200bp（即核小体）分辨率水平，并直接鉴定到了特异蛋白参与的染色质互作环，为未来顺式作用元件基因编辑提供了可能性。建立了新的实验和分析手段，并为未来植物三维基因组学的研究提供了崭新的研究方向。
参考文献
- Sun Linhua, Zhou Jingru, Xu Xiao, Liu Yi, Ma Ni, Liu Yutong, Nie Wenchao, Zou Ling, Deng Xing Wang, He Hang. Mapping nucleosome-resolution chromatin organization and enhancer-promoter loops in plants using Micro-C-XL. Nature Communications. 2024;15(1):35. DOI: 10.1038/s41467-023-44347-z
- Sun Linhua, Jing Yuqing, Liu Xinyu, Li Qi, Xue Zhihui, Cheng Zhukuan, Wang Daowen, He Hang, Qian Weiqiang. Heat stress-induced transposon activation correlates with 3D chromatin organization rearrangement in Arabidopsis. Nature Communications. 2020;11(1):1886. DOI: 10.1038/s41467-020-15809-5
- Sun Linhua, Cao Yuxin, Li Zhu, Liu Yi, Yin Xiaochang, Deng Xing Wang, He Hang, Qian Weiqiang. Conserved H3K27me3‐associated chromatin looping mediates physical interactions of gene clusters in plants. Journal of Integrative Plant Biology. 2023;65(8):1966-1982. DOI: 10.1111/jipb.13502
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