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蜜蜂是一種真社會(huì)性昆蟲(chóng)，是研究社會(huì)性昆蟲(chóng)級(jí)型發(fā)育和級(jí)型分化的重要模式生物，其分工主要基于級(jí)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(guān)特征，級(jí)型分化的背后機(jī)制尚未完全了解。有證據(jù)表明，蜂王和工蜂之間營(yíng)養(yǎng)狀況的差異通過(guò)改變DNA甲基化模式來(lái)調(diào)節(jié)級(jí)型分化。此外Wnt信號(hào)通路、雷帕霉素靶蛋白（target of rapamycin，TOR）、營(yíng)養(yǎng)響應(yīng)通路和絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）通路等各種信號(hào)通路都與蜜蜂級(jí)型分化有關(guān)。然而沒(méi)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(jí)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(xué)蜜蜂研究所曾志將教授團(tuán)隊(duì)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(jí)型分化的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)(3齡期)之前(2齡期)和之后(4齡期)的H3K4me1分布進(jìn)行了全基因組分析。研究結(jié)果表明，與2齡期相比，4齡期時(shí)的差異表達(dá)基因(DEG)和H3K4me1標(biāo)記數(shù)量顯著增加，且基因表達(dá)與H3K4me1呈負(fù)相關(guān)。進(jìn)一步分析表明，蜂王和工蜂的染色質(zhì)模式在4齡期時(shí)存在顯著差異。H3K4me1修飾促進(jìn)了工蜂幼蟲(chóng)發(fā)育。本研究結(jié)果揭示了H3K4me1在蜜蜂幼蟲(chóng)發(fā)育和級(jí)型分化中的重要作用。

標(biāo)題：H3K4me1 Modification Functions in Caste Differentiation in Honey Bees（H3K4me1修飾在蜜蜂級(jí)型分化中的作用）

時(shí)間：2023-03-25

期刊：INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES

影響因子：IF 6.208

技術(shù)平臺(tái)：ChIP-seq、RNA-seq、qRT-PCR等

摘要：

蜜蜂是表觀遺傳學(xué)研究的重要物種，具有相同基因型的雌性蜜蜂幼蟲(chóng)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(dá)模式，導(dǎo)致級(jí)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(jí)型分化。本研究分析了蜂王和工蜂幼蟲(chóng)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(chóng)中，H3K4me1標(biāo)記比蜂王幼蟲(chóng)中更為富集，且許多與級(jí)型分化相關(guān)基因存在差異甲基化。值得注意的是，啟動(dòng)子區(qū)域的級(jí)型特異性H3K4me1可以誘導(dǎo)工蜂發(fā)育?？傊?，本研究結(jié)果表明，H3K4me1修飾可能是蜜蜂級(jí)型特異性轉(zhuǎn)錄程序構(gòu)建和維持的重要調(diào)控因子；當(dāng)然不排除其他表觀遺傳學(xué)修飾的潛在影響。

研究結(jié)果：

（1）蜜蜂的H3K4me1修飾在轉(zhuǎn)錄區(qū)域富集

圖1：蜜蜂的H3K4me1修飾在轉(zhuǎn)錄區(qū)域富集

1. 蜂王和工蜂幼蟲(chóng)中特異性H3K4me1 peaks數(shù)量條形圖。

B-C. 2齡期蜂王（2nd instar queen，2Q）VS 2齡期工蜂（2nd instar worker，2W）、4齡期蜂王（4th instar queen，4Q） VS 4齡期工蜂（4th instar worker，4W）中啟動(dòng)子、內(nèi)含子和外顯子區(qū)域的特異性H3K4me1 ChIP-seq peaks百分比條形圖。

D. 蜂王和工蜂幼蟲(chóng)中差異H3K4me1 peaks數(shù)條形圖。

E-F. 2Q VS 2W和4Q VS 4W中啟動(dòng)子、內(nèi)含子和外顯子區(qū)域的差異H3K4me1 ChIP-seq peaks百分比條形圖。

（2）級(jí)型分化特異性H3K4me1修飾模式與差異基因表達(dá)的相關(guān)性

圖2：級(jí)型分化特異性H3K4me1修飾模式與差異基因表達(dá)的相關(guān)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(duì)于H3K4me1信號(hào)的負(fù)對(duì)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(lán)色區(qū)域表示H3K4me1修飾在工蜂中上調(diào)。灰色表示無(wú)顯著差異（p>0.05）。

3. 通過(guò)ChIP-seq鑒定的蜂王和工蜂幼蟲(chóng)之間表達(dá)顯著差異的散點(diǎn)圖（x軸）與蜂王和工蜂幼蟲(chóng)之間轉(zhuǎn)錄本表達(dá)的Log2FC（y軸）。紅色表示RNA-seq和ChIP-seq鑒定的差異一致。藍(lán)色表示RNA-seq和ChIP-seq獲得相反模式?；疑硎緵](méi)有顯著差異（p>0.05）。

圖3：KEGG富集分析

A-D. 在2Q (A)、2W (B)、4Q (C)和4W (D)中，特異性H3K4me1修飾富集相關(guān)基因的蜜蜂級(jí)型分化KEGG通路是負(fù)log2 p值。紅色字體標(biāo)記的是與級(jí)型分化相關(guān)通路，而黑色字體則不相關(guān)。

E. 2Q vs 2W中，H3K4me1 peaks相關(guān)差異基因的KEGG通路富集分析。

F. 4Q vs 4W中，H3K4me1 peaks相關(guān)差異基因的KEGG通路富集分析。

（3）工蜂級(jí)型表征可能由H3K4me1誘導(dǎo)

圖4：H3K4me1修飾通過(guò)調(diào)節(jié)基因表達(dá)水平和修飾豐度以促進(jìn)在級(jí)型分化中的作用

1. 幼激素酯酶(Juvenile hormone esterase，JHe;LOC406066)基因在2齡期和4齡期均達(dá)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(dá)的候選級(jí)型分化相關(guān)轉(zhuǎn)錄本的RNA表達(dá)水平和H3K4me1豐度。

最后，研究選擇5個(gè)在蜜蜂級(jí)型分化中具有既定作用的基因進(jìn)行qRT-PCR驗(yàn)證，5個(gè)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(jié)果驗(yàn)證了本研究轉(zhuǎn)錄組結(jié)果與之前研究結(jié)果一致，H3K4me1富集趨勢(shì)與轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致，支持了本研究結(jié)果的可靠性。幼激素（Juvenile hormone，JH）是蜜蜂級(jí)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(jié)果進(jìn)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(duì)蜜蜂級(jí)型分化的影響。

結(jié)論

本研究通過(guò)ChIP-seq和對(duì)應(yīng)的RNA-seq等實(shí)驗(yàn)，在蜜蜂的級(jí)型分化過(guò)程中，觀察到蜂王和工蜂幼蟲(chóng)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(jí)型基因轉(zhuǎn)錄。此外，H3K4me1修飾與工蜂幼蟲(chóng)發(fā)育的調(diào)控密切相關(guān)，可能是工蜂發(fā)育通路中的一個(gè)重要修飾。本研究結(jié)果表明了組蛋白甲基化對(duì)蜜蜂發(fā)育的貢獻(xiàn)，并可能有助于進(jìn)一步研究級(jí)型分化和發(fā)育可塑性。

關(guān)于易基因染色質(zhì)免疫共沉淀測(cè)序?(ChIP-seq)

染色質(zhì)免疫共沉淀（Chromatin Immunoprecipitation,ChIP），是研究體內(nèi)蛋白質(zhì)與DNA相互作用的經(jīng)典方法。將ChIP與高通量測(cè)序技術(shù)相結(jié)合的ChIP-Seq技術(shù)，可在全基因組范圍對(duì)特定蛋白的DNA結(jié)合位點(diǎn)進(jìn)行高效而準(zhǔn)確的篩選與鑒定，為研究的深入開(kāi)展打下基礎(chǔ)。

DNA與蛋白質(zhì)的相互作用與基因的轉(zhuǎn)錄、染色質(zhì)的空間構(gòu)型和構(gòu)象密切相關(guān)。運(yùn)用組蛋白特定修飾的特異性抗體或DNA結(jié)合蛋白或轉(zhuǎn)錄因子特異性抗體富集與其結(jié)合的DNA片段，并進(jìn)行純化和文庫(kù)構(gòu)建，然后進(jìn)行高通量測(cè)序，通過(guò)將獲得的數(shù)據(jù)與參考基因組精確比對(duì)，研究人員可獲得全基因組范圍內(nèi)某種修飾類型的特定組蛋白或轉(zhuǎn)錄因子與基因組DNA序列之間的關(guān)系，也可對(duì)多個(gè)樣品進(jìn)行差異比較。

應(yīng)用方向：

ChIP 用來(lái)在空間上和時(shí)間上不同蛋白沿基因或基因組定位

• 轉(zhuǎn)錄因子和輔因子結(jié)合作用

• 復(fù)制因子和 DNA 修復(fù)蛋白

• 組蛋白修飾和變異組蛋白

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

• 物種范圍廣：細(xì)胞、動(dòng)物組織、植物組織、細(xì)菌微生物多物種富集經(jīng)驗(yàn)；

• 微量建庫(kù)：只需5ng以上免疫沉淀后的DNA，即可展開(kāi)測(cè)序分析；

• 方案靈活：根據(jù)不同的項(xiàng)目需求，選擇不同的組蛋白修飾特異性抗體。

技術(shù)路線：

易基因提供全面的DNA與蛋白互作測(cè)序方案。

參考文獻(xiàn)：

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.