玉米45S rDNA脆性位點的表觀遺傳機制及遺傳進化

《玉米45S rDNA脆性位點的表觀遺傳機制及遺傳進化》是依託武漢大學，由李立家擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：玉米45S rDNA脆性位點的表觀遺傳機制及遺傳進化
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李立家
• 依託單位：武漢大學

項目摘要

植物基因組45S rDNA常常表現脆性的特徵。在本項目中，我們將在玉米染色體和分揀的間期核中定量分析複製抑制劑阿非迪黴素作用下45S rDNA脆性表現的頻率，採用ChIP-PCR和Immuno-FISH研究它的編碼區、ITS、IGS及其它調控區域組蛋白修飾以及DNA甲基化狀況。銀染實驗在染色體上比較分析45S rDNA複製的早和晚以及活性的NOR和非活性的NOR，同時螢光定量PCR分析pre-rRNA表達。使用表觀修飾酶類抑制劑處理改變修飾狀況，採用上述方法，進一步研究表觀修飾在45S rDNA脆性表現中的作用。Immuno-FISH和Sounthern blot分別被用來檢測分析複製壓力誘導這個位點姊妹染色質橋的形成和重組情況。通過這些rDNA脆性表觀遺傳學的研究將加深人們對玉米染色質結構尤其是rDNA結構以及在植物基因組進化中的作用的認識，為染色體工程改良植物奠定一定的理論基礎。

結題摘要

45S核糖體DNA(45S rDNA)由串聯重複元件組成。正常細胞中,只有部分rDNA拷貝被轉錄,其餘的則處於沉默狀態。表觀修飾參與調控rRNA基因轉錄失活與活躍狀態的轉變。該位點串聯重複的特質有利於同源重組,可能引發遺傳不穩定。我們早期的研究表明黑麥草45S rDNA是自發形成的染色體脆性位點。在這項研究中,我們發現複製抑制劑APH和轉錄抑制劑ActD都能誘導植物產生45S rDNA脆性表型,其細胞學形態類似於人普通型脆性位點表型。APH和ActD處理也能使間期rDNA脫濃縮。但這兩種試劑都不影響玉米著絲粒和Knob位點的穩定性。這些結果證明45S rDNA位點既是複製依賴型又是轉錄依賴型脆性位點。脆性表達的rDNA位點有大量AgNOR蛋白共定位,同時,ActD顯著抑制RNA PolI轉錄延伸的同時促進rRNA基因轉錄起始,迫使更多的原本處於濃縮狀態的rRNA基因轉變成脫濃縮狀態並分散在核基質中,形成多核仁。脫濃縮會妨礙染色體摺疊,促使45S rDNA位點脆性表達。ActD誘導位點特異性去甲基化並使組蛋白H3總含量大幅度減少,H3K9ac、H3K4me2、H4K5ac和H4K16ac含量明顯升高,而H3K9me2含量卻略有下降。這些表觀修飾改變促使濃縮型染色質變成鬆散型染色質,可能導致rDNA染色質包裝失敗和脆性表達。ActD處理導致玉米rDNA區域的γH2AX含量升高,但使eccrDNAs含量略為降低,表明rDNA位點的染色單體同源重組修復或非同源末端連線修復被抑制。ActD誘導的DNA損傷積累和DNA修復抑制可能會使更多的45S rDNA斷裂未經修復直接進入分裂中期,並在染色體上形成脆性表型。也證實了rDNA染色質變化和表觀修飾參與了激素介導的種子萌發,發現玉米根部不同區域rDNA修飾狀況是不同的。rDNA脆性表觀遺傳學的研究將加深人們對玉米染色質結構尤其是rDNA結構以及在植物基因組進化中的作用的認識,為染色體工程改良植物奠定一定的理論基礎。 在基金的資助下,我們也深入拓展了玉米染色質表觀遺傳的研究內容,發現rDNA和knob與表觀修飾捲入了玉米冷熱鹽等非生物脅迫應答。這些將加深人們對表觀修飾在玉米生長和發育中作用的理解。