2023年2月23日中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物檢疫害蟲(chóng)監(jiān)測(cè)與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李志紅團(tuán)隊(duì)在期刊Frontiers in Genetics（IF: 4.772）發(fā)表題為“ChIP-seq profiling of H3K4me3 and H3K27me3 in an invasive insect,Bactrocera dorsalis”的研究論文。該文章利用ChIP-seq和RNA-seq技術(shù)研究了一種臭名昭著的入侵害蟲(chóng)——桔小實(shí)蠅（B. dorsalis）成蟲(chóng)胸肌中的兩種重要組蛋白修飾，三甲基化的組蛋白H3賴(lài)氨酸4（H3K4me3）和三甲基化的組蛋白H3賴(lài)氨酸27（H3K27me3）的全基因組模式。愛(ài)基百客為該研究提供ChIP-seq的技術(shù)支持。

題 目：ChIP-seq profiling of H3K4me3 and H3K27me3 in an invasive insect,Bactrocera dorsalis

發(fā)表日期：2023年2月23日

發(fā)表期刊：Frontiers in Genetics

影響因子：4.772

實(shí)驗(yàn)方法：Chip-seq, RNA-seq等

基因組學(xué)研究表明，組蛋白修飾可以促進(jìn)動(dòng)物對(duì)快速變化環(huán)境的反應(yīng)，但是很少有研究對(duì)入侵物種的全基因組組蛋白修飾模式進(jìn)行研究。

本文利用染色質(zhì)免疫沉淀（ChIP-seq）技術(shù)，在成年B. dorsalis胸部肌肉中捕獲了兩種重要的組蛋白修飾，三甲基化組蛋白H3賴(lài)氨酸4（H3K4me3）和三甲基化組蛋白H3賴(lài)氨酸27（H3K27me3）的全基因組模式。研究發(fā)現(xiàn)H3K4me3與活躍的基因轉(zhuǎn)錄有關(guān)，而H3K27me3主要與轉(zhuǎn)錄抑制有關(guān)。重要的是，研究還發(fā)現(xiàn)了受不同組蛋白修飾模式影響的基因和潛在的可能調(diào)節(jié)飛行活動(dòng)的模式。這些發(fā)現(xiàn)為B. dorsalis的組蛋白修飾特征提供了證據(jù)，并且對(duì)研究其他入侵昆蟲(chóng)的表觀遺傳特征具有幫助。

研究材料：桔小實(shí)蠅胸肌

技術(shù)路線

研究結(jié)果：

1. 桔小實(shí)蠅ChIP-seq數(shù)據(jù)的比對(duì)統(tǒng)計(jì)和質(zhì)量檢測(cè)

盡管有部分reads未完全比對(duì)到參考基因組上，但免疫富集質(zhì)量很高，如NSC和RSC值所示，并且H3K4me3重復(fù)樣本的FRiP得分很高。總體而言，通過(guò)分析得出，可以成功地將ChIP-seq適應(yīng)于B. dorsalis的研究，并可以為基因組層面的調(diào)控分析提供足夠的數(shù)據(jù)。

2. 聚類(lèi)分析

作者在對(duì)重復(fù)1進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)根據(jù) K-means 聚類(lèi)分析，30.6％，15.2％，17.8％ 和 36.4％ 的TSS分別歸為 Cluster 1-4。因此，作者假定 45.8％ 的基因處于活躍或準(zhǔn)備狀態(tài)（Cluster 1 和 Cluster 2），而 54.2％ 的基因處于弱表達(dá)（Cluster 3）或非活躍（Cluster 4）狀態(tài)。實(shí)際上，與每個(gè)Cluster相關(guān)聯(lián)的基因表達(dá)模式支持了這一點(diǎn)（Cluster 1：6.4 ± 0.02，Cluster 2：6.4 ± 0.03，Cluster 3：3.0 ± 0.04，Cluster 4：3.6 ± 0.03；基因表達(dá)是基于 RPKM 值的 log2 計(jì)算得出的），Cluster 1 和 Cluster 2 關(guān)聯(lián)基因的平均表達(dá)水平顯著高于Cluster 3和Cluster 4（ANOVA 檢驗(yàn)，p < 0.05）。

3.H3K4me3和H3K27me3的富集峰分析

本研究分別對(duì)H3K4me3和H3K27me3這兩種組蛋白修飾鑒定出7226和11417個(gè)富集峰。兩個(gè)重復(fù)實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出高度的可重復(fù)性和低背景噪音。其中95.0%的H3K4me3富集峰和45.9%的H3K27me3富集峰與果蠅基因組中注釋的基因（45.6% 和11.2%）重疊，表明這兩種組蛋白修飾在該物種的調(diào)控活動(dòng)中廣泛參與。通過(guò)分析富集峰的長(zhǎng)度發(fā)現(xiàn)，45.3%的H3K4me3富集峰長(zhǎng)度小于1 kb，44.9%的富集峰長(zhǎng)度在1 kb到2 kb之間；而H3K27me3富集峰的長(zhǎng)度范圍從251bp到47,936 bp，多數(shù)富集峰(51.7%)長(zhǎng)度超過(guò)1 kb。通過(guò)鑒定不同的組蛋白修飾模式與基因表達(dá)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)基因TSS區(qū)域僅有H3K4me3富集峰的基因表達(dá)水平最高，其次是兩種類(lèi)型富集峰都有、沒(méi)有組蛋白修飾的基因和H3K27me3 富集峰位于基因內(nèi)的情況，而基因TSS區(qū)域僅有H3K4me3富集峰的基因表達(dá)水平最低。

作者在研究組蛋白修飾富集峰的平均分布模式時(shí)，發(fā)現(xiàn)H3K4me3和H3K27me3兩種表觀修飾呈互斥模式。其中，H3K4me3的富集峰呈現(xiàn)出以TSS為中心的雙峰模式，而H3K27me3則更傾向于占據(jù)較寬的區(qū)域，整個(gè)基因內(nèi)的平均富集程度幾乎保持不變。此外，H3K4me3富集主要分布在基因區(qū)域和啟動(dòng)子區(qū)域（TSS上下游1kb內(nèi)），而H3K27me3富集峰只有8%與啟動(dòng)子區(qū)域重疊，超過(guò)一半分布在基因間區(qū)。這些結(jié)果表明H3K4me3和H3K27me3在調(diào)節(jié)基因表達(dá)方面可能具有不同的功能。

4. 聚類(lèi)簇和富集峰的功能分析

對(duì)不同的基因簇進(jìn)行GO分析發(fā)現(xiàn)，與代謝、生物合成過(guò)程、細(xì)胞周期、基因表達(dá)和染色質(zhì)組織等功能相關(guān)的GO term在Cluster 1和Cluster 2中顯著富集，而與細(xì)胞命運(yùn)、組織發(fā)育和形態(tài)發(fā)生、RNA聚合酶II對(duì)轉(zhuǎn)錄的負(fù)向調(diào)節(jié)和成蟲(chóng)盤(pán)發(fā)育等功能相關(guān)的GO term在Cluster 3中顯著富集。此外，不同修飾類(lèi)型的基因具有不同的GO富集term。僅被H3K4me3修飾的基因與ncRNA代謝過(guò)程、細(xì)胞對(duì)DNA損傷刺激的反應(yīng)和翻譯等功能相關(guān)的GO term富集最為顯著，而僅被H3K27me3修飾的基因則與DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄抑制因子活性，RNA聚合酶II特異性、轉(zhuǎn)錄順式調(diào)控區(qū)結(jié)合、中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元分化等功能相關(guān)的GO term富集最為顯著。被兩種組蛋白修飾的基因則在細(xì)胞命運(yùn)、轉(zhuǎn)錄順勢(shì)調(diào)控、組織發(fā)育和形態(tài)發(fā)生以及成蟲(chóng)盤(pán)發(fā)育等功能方面富集，且其中的一些GO term與僅被H3K27me3修飾的基因相同，只有2個(gè)GO term與僅被H3K4me3修飾的基因相同。

5. 基序分析

研究發(fā)現(xiàn)，在僅被H3K4me3、H3K27me3修飾的基因和被兩種組蛋白修飾的基因的TSS區(qū)域中，分別檢測(cè)到了1個(gè)、3個(gè)和1顯著富集的基序。僅被H3K4me3修飾的基因顯著富集的基序?yàn)椤癎CTGCT”，與JASPAR2018_CORE_insects數(shù)據(jù)庫(kù)中的odd基序相似；僅被H3K27me3修飾的基因最顯著富集的基序?yàn)椤癆CAT”，與數(shù)據(jù)庫(kù)中的Cf2基序相似，其次是一個(gè)富含TGT的基序和一個(gè)富含AA的基序；被兩種組蛋白修飾的基因顯著富集的基序?yàn)椤癎TTGTT”，與已知的Bgb:run基序相似。

作者發(fā)現(xiàn)了20個(gè)基因與昆蟲(chóng)翅膀發(fā)育相關(guān)，并對(duì)H3K4me3和H3K27me3修飾進(jìn)行了分類(lèi)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中76.1%的H3K4me3修飾基因與上調(diào)的基因重疊，而60.0%的H3K27me3修飾基因與下調(diào)的基因重疊。此外，作者還發(fā)現(xiàn)了268個(gè)與遷徙飛行活動(dòng)相關(guān)的基因，這些基因分別與代謝、環(huán)境感知、計(jì)時(shí)和導(dǎo)航、胰島素信號(hào)通路、幼蟲(chóng)激素和蛻皮素合成、章魚(yú)胺合成、神經(jīng)肽激素、肌肉功能、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β信號(hào)、JAK/STAT途徑和壓力和免疫等功能相關(guān)。這些基因的廣泛修飾表明組蛋白修飾在昆蟲(chóng)飛行活動(dòng)中具有重要作用。作者還分析了與昆蟲(chóng)翅膀發(fā)育和代謝相關(guān)的基序，發(fā)現(xiàn)其中38.7%的基因包含一個(gè)或多個(gè)可能調(diào)節(jié)昆蟲(chóng)飛行活動(dòng)的基序。

總 結(jié)

本研究首次報(bào)道了侵入性桔小實(shí)蠅B. dorsalis基因組范圍內(nèi)的H3K4me3和H3K27me3組蛋白修飾的調(diào)控全貌，并結(jié)合轉(zhuǎn)錄組分析了組蛋白修飾與轉(zhuǎn)錄水平的關(guān)系。作者發(fā)現(xiàn)這兩種組蛋白修飾在基因組上的分布具有差異性，H3K4me3主要位于基因的TSS下游，H3K27me3更傾向于占據(jù)整個(gè)基因區(qū)域。此外，作者在B. dorsalis中發(fā)現(xiàn)了與翅膀發(fā)育和遷飛活動(dòng)有關(guān)的基因，暗示了組蛋白修飾在昆蟲(chóng)遷徙飛行活動(dòng)中可能發(fā)揮重要作用。這項(xiàng)研究為利用ChIP-seq研究非模式、侵入性昆蟲(chóng)物種的組蛋白修飾提供了實(shí)證，同時(shí)也證實(shí)了H3K4me3和H3K27me3在促進(jìn)昆蟲(chóng)發(fā)育和侵入性物種擴(kuò)散方面可能發(fā)揮著重要作用。

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