真核生物的染色質(zhì)在細胞核內(nèi)折疊包裝形成了復雜而有序的三維空間結(jié)構(gòu)，參與基因轉(zhuǎn)錄等多種生命活動。其中，DNA、RNA和蛋白質(zhì)彼此間會形成復雜的互作網(wǎng)絡(luò)，但染色質(zhì)結(jié)合RNA在水稻三維基因組結(jié)構(gòu)中的功能尚不清楚。

 

　　研究首先報道了一種植物RNA-DNA互作研究技術(shù)——ChRD-PET（Chromatin-associated RNA-DNA interactions followed by paired-end-tag sequencing）， 其主要原理是利用特異組蛋白修飾抗體，通過染色質(zhì)免疫共沉淀富集DNA-RNA-蛋白質(zhì)復合物，用一種生物素標記的DNA bridge linker，將復合物上空間接近的RNA和DNA進行連接，通過高通量測序獲得DNA和RNA交互的數(shù)據(jù)。利用這一技術(shù)，研究人員構(gòu)建了水稻H3 ChRD-PET和H3K4me3 ChRD-PET數(shù)據(jù)，分別表征染色質(zhì)結(jié)合RNA在全基因組上的結(jié)合位點，以及染色質(zhì)結(jié)合RNA與H3K4me3修飾區(qū)域（標記水稻活躍啟動子）的互作圖譜。進一步系統(tǒng)地分析了RNA與染色質(zhì)交互的基本特征。

 

　　結(jié)果顯示，有的RNA在轉(zhuǎn)錄原位參與交互（原位交互，35.9%），有的與附近DNA形成交互（鄰近交互，8.8%），有的則跨染色體去參與交互（遠程交互，55.3%）。在啟動子區(qū)域，編碼RNA和非編碼RNA，參與了廣泛的RNA-DNA交互，暗示了非編碼RNA在基因啟動子區(qū)對基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的潛在功能。

　　一部分染色質(zhì)結(jié)合RNA可以與DNA單鏈形成RNA-DNA hybrid（R-loop），通過檢測RNA-DNA hybrid中DNA鏈可以反映R-loop在基因組中的形成位置，而R-loop中RNA鏈的來源和組成尚不清楚。為了探究這一問題，研究人員將ssDRIP-seq數(shù)據(jù)和H3K4me3 ChRD-PET數(shù)據(jù)聯(lián)合分析，鑒定了8562個R-loop衍生的RNA-DNA交互，發(fā)現(xiàn)除編碼RNA外，非編碼RNA可以通過遠程交互的方式參與R-loop的形成，說明了R-loop中RNA的多樣性和多源性，這一發(fā)現(xiàn)使人們對R-loop的組成和形成有了更深的認識。

 

　　此外，通過與水稻表觀基因組數(shù)據(jù)聯(lián)合分析，研究人員揭示了預測增強子可以招募更多的RNA來交互，同時本身也轉(zhuǎn)錄更多的RNA去參與交互。進一步與水稻的三維基因組H3K4me3 ChIA-PET數(shù)據(jù)整合分析，發(fā)現(xiàn)RNA與染色質(zhì)環(huán)存在三種交互模式：染色質(zhì)環(huán)的gene上沒有RNA交互、染色質(zhì)環(huán)的gene上有不同的RNA交互、染色質(zhì)環(huán)的gene和同一RNA交互。此外，在水稻染色質(zhì)交互的拓撲結(jié)構(gòu)中，一個基因轉(zhuǎn)錄的RNA可以和這個結(jié)構(gòu)中一半以上的DNA有交互，共鑒定了614個這樣的拓撲結(jié)構(gòu)域 。

 

　　綜上所述，該研究開發(fā)了RNA-DNA交互技術(shù)，繪制了啟動子附近的RNA-DNA交互圖譜，并分別分析了DNA序列層面、一維線性表觀修飾和三維染色質(zhì)結(jié)構(gòu)層面的RNA-DNA交互特征，推測RNA在染色質(zhì)不同層級的三維結(jié)構(gòu)中可能發(fā)揮著重要作用，有助于深入理解RNA與水稻染色質(zhì)空間結(jié)構(gòu)、各種表觀修飾及基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的關(guān)系，為水稻RNA功能研究、遺傳改良和其他經(jīng)濟作物的研究提供重要的研究資源和科學價值。

 

　　值得一提的是，該研究是繼一系列水稻、玉米高分辨率三維基因組圖譜發(fā)表后，該團隊在植物三維基因組研究領(lǐng)域的又一重要進展。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學博士研究生肖琴、博士研究生黃星宇為論文共同第一作者，李興旺教授、李國亮教授為論文共同通訊作者。清華大學孫前文教授、中國農(nóng)業(yè)科學院（深圳）農(nóng)業(yè)基因組所徐煒研究員參與了相關(guān)研究。該研究得到了國家自然科學基金，中國博士后科學基金、中央高?；究蒲袑ｍ椯Y金以及作物遺傳改良國家重點實驗室自主課題等項目基金的支持。

 

　　【英文摘要】

 

　　Chromatin-associated RNAs play key roles in various biological processes. However, both their repository and conjugation genomic loci and potential functions remain largely unclear. Here, we develop an effective method for mapping of chromatin-associated RNA–DNA interactions, followed by paired-end-tag sequencing （ChRD–PET） in rice. We present a comprehensive interaction map between RNAs and H3K4me3-marked regions based on H3K4me3 ChRD–PET data, showing three types of RNA–DNA interactions—local, proximal and distal. We further characterize the origin and composition of the RNA strand in R-loop RNA–DNA hybrids and identify that extensive cis and trans RNAs, including trans-non-coding RNAs, are prevalently involved in the R-loop. Integrative analysis of rice epigenome and three-dimensional genome data suggests that both coding and non-coding RNAs engage extensively in the formation of chromatin loops and chromatin-interacting domains. In summary, ChRD–PET is an efficient method for studying the features of RNA–chromatin interactions, and the resulting datasets constitute a valuable resource for the study of RNAs and their biological functions.

 

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41477-021-01089-4