喜報(bào)：易基因組蛋白ChIP-seq研究成果見刊《Cell Reports》

2023年02月10日，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院博士研究生姚亞林為第一作者、欒軍波教授為論文通訊作者在《Cell Reports》雜志以“A bacteriocyte symbiont determines whitefly sex ratio by regulating mitochondrial function”為題發(fā)表研究論文。該研究通過ChIP-seq等實(shí)驗(yàn)揭示了煙粉虱（whitefly Bemisia tabaci）含菌細(xì)胞共生菌Hamiltonella通過調(diào)控卵巢線粒體功能決定后代性比的共生菌調(diào)控宿主生殖的表遺傳機(jī)制。深圳易基因科技為本研究提供ChIP-seq測序分析服務(wù)。

標(biāo)題：A bacteriocyte symbiont determines whitefly sex ratio by regulating mitochondrial function 煙粉虱含菌細(xì)胞共生菌Hamiltonella通過調(diào)控卵巢線粒體功能決定后代性比

時(shí)間：2023-02-10

期刊：Cell Reports

影響因子：IF 9.995

技術(shù)平臺：ChIP-seq等

摘要：

共生菌影響宿主繁殖，但潛在的分子機(jī)制尚不清楚。本研究發(fā)現(xiàn)煙粉虱含菌細(xì)胞共生菌Hamiltonella合成的葉酸通過介導(dǎo)組蛋白甲基化修飾調(diào)控?zé)煼凼殉簿€粒體功能，從而影響煙粉虱受精和后代性比，而葉酸補(bǔ)充會恢復(fù)后代性比。Hamiltonella缺失或基因沉默使組蛋白H3賴氨酸9三甲基化（H3K9me3）水平發(fā)生變化，其通過葉酸補(bǔ)充而恢復(fù)。H3K9me3的全基因組染色質(zhì)免疫沉淀測序（ChIP-seq）分析表明共生菌缺失導(dǎo)致煙粉虱中的線粒體功能受抑制。Hamiltonella缺失影響了煙粉虱卵巢的線粒體質(zhì)量，抑制卵巢線粒體功能導(dǎo)致白色性比例異常。這些發(fā)現(xiàn)表明，共生菌衍生的葉酸調(diào)控宿主組蛋白甲基化修飾，從而影響卵巢線粒體功能，最終決定宿主性比。研究解析了共生菌——線粒體互作在調(diào)控宿主性比中的重要作用，揭示了共生菌調(diào)控宿主生殖的新機(jī)制。研究成果拓展了對宿主與共生菌互作機(jī)制的理解，為粉虱的精準(zhǔn)防控提供了新靶標(biāo)。

圖形摘要：煙粉虱含菌細(xì)胞共生菌Hamiltonella通過調(diào)控卵巢線粒體功能決定后代性比

要點(diǎn)：

• 通過消除含菌細(xì)胞共生菌而導(dǎo)致的葉酸缺失會改變煙粉虱的后代性比

• 共生菌缺失激活組蛋白甲基化修飾H3K9me3水平

• H3K9me3修飾影響煙粉虱卵巢線粒體功能

• 抑制卵巢線粒體功能抑制受精，影響宿主后代性比

材料和方法：

關(guān)鍵結(jié)果：

（1）Hamiltonella缺失影響粉虱中的組蛋白H3甲基化譜，葉酸調(diào)控H3K9me3修飾

葉酸是將半胱氨酸甲基化為Met反應(yīng)中的甲基供體，然后產(chǎn)生的Met轉(zhuǎn)化為組蛋白甲基化所需的SAM。因此葉酸可能會影響煙粉虱中的組蛋白甲基化。為了研究這一點(diǎn)，作者通過用抗生素混合物處理煙粉虱成蟲，特異性消除Hamiltonella，并使用western blot比較了感染Hamiltonellas的煙粉虱和Hamiltonella缺失煙粉虱之間甲基化組蛋白H3賴氨酸位點(diǎn)的豐度，即H3K4me1-3、H3K9me1-3、H1K27me1-3、H3K36me1-3和H3K79me1-3。在組蛋白3賴氨酸甲基化標(biāo)記物中，與+HBt煙粉虱相比，H3K9me3、H3K36me3和H3K79me2在-HBt煙粉虱中具有顯著誘導(dǎo)的水平（圖1A）。H3K36me3為果蠅劑量補(bǔ)償X染色體上H4K16高乙?；匦琛６鳫3K79me2在昆蟲中的功能尚不清楚。盡管不能排除H3K36me3和H3K79me2可能在煙粉虱中發(fā)揮意想不到的作用，但這些標(biāo)記的功能可能與煙粉虱繁殖無關(guān)。H3K9me3影響受精后的基因轉(zhuǎn)錄、胚胎發(fā)育和細(xì)胞命運(yùn)。因此本研究中關(guān)注H3K9me3。為驗(yàn)證葉酸在煙粉虱H3K9me3水平變化中的作用，將+HBt和–HBt成體煙粉虱以及注射dsGFP和dsphoAB的煙粉虱以含葉酸的人工飼料喂養(yǎng)。葉酸的補(bǔ)充使–HBt煙粉虱中H3K9me3的水平恢復(fù)到+HBt煙粉虱中的水平，且補(bǔ)充葉酸不會改變+HBt煙粉虱中H3K9me3水平與+HBt煙粉虱中的水平（圖1B）。同樣補(bǔ)充葉酸使注射dsphoAB煙粉虱體內(nèi)H3K9me3水平恢復(fù)至注射dsGFP煙粉虱中的水平；注射dsGFP煙粉虱相比，補(bǔ)充葉酸不會改變注射dsGFP煙粉虱中的H3K9me3水平（圖1C）。這些數(shù)據(jù)表明，葉酸負(fù)責(zé)調(diào)控?zé)煼凼械腍3K9me3信號。

圖1：Hamiltonella缺失對煙粉虱組蛋白甲基化的影響

為鑒定與H3K9me3相關(guān)的基因，使用H3K9me3抗體進(jìn)行染色質(zhì)免疫沉淀測序（ChIP-seq），85.3%–88.1%的clean后reads被比對到煙粉虱MEAM1基因組。Calling peaks后共鑒定出20603個(gè)peaks，平均長度為429.7個(gè)堿基對（bp）。其中10.9%peaks位于基因的外顯子區(qū)域，7.3%peaks位于基因的UTR，55.7%peaks位于基因的內(nèi)含子區(qū)域，26.1%peaks位于基因的下游和遠(yuǎn)端基因間區(qū)域內(nèi)。與+HBt煙粉虱相比，-HBt煙粉虱中共有9722個(gè)peaks顯著上調(diào)，而10881個(gè)peaks顯著下調(diào)。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)與+HBt煙粉虱相比，-HBt煙粉虱中3145和3399個(gè)基因分別與H3K9me3 peaks顯著上調(diào)和下調(diào)相關(guān)。KEGG通路富集分析顯示，與+HBt煙粉虱相比，-HBt煙粉虱中與差異H3K9me3 peaks相關(guān)的基因富集了五個(gè)通路（24個(gè)基因）（圖1D）。在五種富集的KEGG通路中，cAMP信號通路和AMPK信號通路（包括11種基因；圖1D）調(diào)控線粒體功能的各個(gè)方面。這些數(shù)據(jù)表明Hamiltonella可能影響粉虱的線粒體功能。線粒體功能包括呼吸和ATP生成、線粒體動(dòng)力學(xué)（融合、分裂、線粒體自噬和分布）等。與Hamiltonella感染的煙粉虱相比，Hamiltonella缺失煙粉虱中與H3K9me3相關(guān)的32個(gè)基因參與線粒體功能。H3K9me3的ChIP-seq分析表明Hamiltonella缺失導(dǎo)致煙粉虱中的線粒體功能障礙。煙粉虱是單倍體昆蟲；受精卵產(chǎn)生雌性成蟲，未受精卵發(fā)育成雄性成蟲。由于雄性的Hamiltonella狀態(tài)對后代性比沒有顯著影響，而Hamiltonella缺失會降低煙粉虱的受精率，因此Hamiltonella缺失可能通過影響粉虱卵巢線粒體功能來抑制卵子受精。

表1：+HBt和-HBt煙粉虱H3K9me3 ChIP-seq的質(zhì)控統(tǒng)計(jì)

表2：+HBt和-HBt煙粉虱H3K9me3 ChIP seq峰值統(tǒng)計(jì)

表3：+HBt和-HBt煙粉虱H3K9me3 ChIP seq峰值分布統(tǒng)計(jì)

（2）Hamiltonella缺失導(dǎo)致粉虱卵巢線粒體功能障礙

圖2：Hamiltonella缺失導(dǎo)致粉虱卵巢線粒體功能障礙

（3）補(bǔ)充葉酸會恢復(fù)Hamiltonella缺失煙粉虱卵巢的線粒體功能

圖3：補(bǔ)充葉酸可恢復(fù)煙粉虱卵巢線粒體功能

（4）Mfn2沉默抑制煙粉虱卵巢線粒體功能、抑制受精并降低雌性后代的百分比

關(guān)于染色質(zhì)免疫共沉淀測序?(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與高通量測序技術(shù)相結(jié)合的ChIP-Seq技術(shù)，可在全基因組范圍對特定蛋白的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)行純化和文庫構(gòu)建，然后進(jìn)行高通量測序，通過將獲得的數(shù)據(jù)與參考基因組精確比對，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，也可對多個(gè)樣品進(jìn)行差異比較。

應(yīng)用方向：

ChIP 用來在空間上和時(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：

• 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：只需5ng以上免疫沉淀后的DNA，即可展開測序分析；

• 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：

有ChIP-seq測序或組學(xué)研究需要的老師可聯(lián)系易基因：0755-28317900.

參考文獻(xiàn)：

Yao YL, Ma XY, Wang TY, Yan JY, Chen NF, Hong JS, Liu BQ, Xu ZQ, Zhang N, Lv C, Sun X, Luan JB. A bacteriocyte symbiont determines whitefly sex ratio by regulating mitochondrial function. Cell Rep. 2023 Feb 10;42(2):112102.