本文是由Alessandra M. Sullivan、Andrej A. Arsovski等作者合作完成的研究论文，发表于2014年9月25日的《Cell Reports》期刊上。该研究的主要机构包括华盛顿大学基因组科学系、生物学系、辛辛那提儿童医院医学中心、多伦多大学等。研究的主要目标是揭示拟南芥（Arabidopsis thaliana）在光和热环境下的调控DNA（cis-regulatory DNA）和转录因子（Transcription Factor, TF）网络的动态变化。
植物作为固着生物，其生长和发育受到环境的强烈影响，尤其是光和温度等环境信号。这些信号会显著改变基因表达，但其背后的调控机制，特别是调控DNA和转录因子网络的作用，尚不明确。DNase I超敏感位点（DNase I Hypersensitive Sites, DHSs）是真核生物基因组中调控DNA的标志，通过DNase I超敏感位点图谱和基因组足迹分析（genomic footprinting），可以在核苷酸分辨率下绘制转录因子的结合位点。这些图谱为理解基因组功能、进化和表型变异的遗传基础提供了重要信息。
研究首先从拟南芥幼苗中提取细胞核，并通过DNase I测序（DNase-seq）技术绘制了全基因组范围内的DHSs图谱。研究团队开发了一种新的实验方法，通过机械破碎植物组织并释放细胞核，随后使用链霉亲和素亲和试剂分离细胞核。接着，研究团队对DNase I片段文库进行测序，并开发了适用于拟南芥基因组的DHS和足迹检测算法。
研究团队在拟南芥幼苗中定义了34,288个DHSs，覆盖了拟南芥基因组的4%。这些DHSs主要分布在基因的转录起始位点（TSS）上游400 bp以内，且在基因间区和5’非翻译区（5’ UTR）中富集。研究还发现，DHSs中的DNA甲基化模式与基因组其他区域不同，特别是在非对称的CHH甲基化背景下，DHSs中的胞嘧啶甲基化比例显著增加。
通过基因组足迹分析，研究团队在拟南芥幼苗中定义了697,899个转录因子足迹（TF footprints），并从中发现了636个新的TF结合基序（motif）。这些基序与已知的植物TF结合序列高度一致，表明这些足迹反映了TF在体内的结合位点。研究还发现，TF足迹中的核苷酸多样性显著低于中性进化序列，表明这些区域受到了近期的纯化选择。
研究揭示了拟南芥调控DNA的动态变化，特别是在光和热环境下的响应。通过分析光形态建成（photomorphogenesis）过程中的DHSs，研究团队发现了734个光动态DHSs，这些DHSs在光照条件下表现出不同的可及性模式。研究还发现，光动态DHSs附近的基因与光响应、UV响应等生物过程相关，而暗激活的DHSs则与生长素响应和避荫反应相关。
在热激响应中，研究团队发现热激活的DHSs主要分布在基因远端区域，而热抑制的DHSs则集中在基因近端区域。研究还发现，热激响应基因的启动子在热激条件下表现出极高的DNase I可及性，这些基因包括热激蛋白（HSPs）及其辅伴侣蛋白的编码基因。
研究团队利用基因组足迹数据构建了拟南芥的转录因子网络，并分析了其在光和热激条件下的动态变化。研究发现，拟南芥的转录因子网络结构与人类和其他复杂信息处理系统高度相似，尽管植物和动物的调控元件和转录因子库存在显著差异。在光形态建成过程中，转录因子网络发生了显著的重构，特别是自调控反馈环路的出现和消失。在热激条件下，转录因子网络的连接数显著减少，表明TF在热激响应中的去结合可能介导了转录的全局抑制。
该研究为拟南芥基因调控的研究提供了丰富的资源，揭示了调控DNA和转录因子网络在光和热环境下的动态变化。研究结果表明，拟南芥的调控DNA和转录因子网络结构与人类高度相似，尽管两者的调控元件和转录因子库存在显著差异。研究还发现，TF结合可能影响了拟南芥的密码子使用偏好，这一现象在人类基因组中也有报道。
该研究的科学价值在于首次在核苷酸分辨率下绘制了拟南芥的调控DNA图谱，并揭示了其在环境响应中的动态变化。这些发现为理解植物基因调控的机制提供了新的视角，并为未来的功能基因组学研究提供了重要的参考数据。此外，研究还揭示了热激响应基因的独特染色质特征，这些基因可能在农业遗传工程中具有直接的应用价值。
研究还提供了丰富的实验数据和资源，所有原始和处理后的数据均可通过http://plantregulome.org访问。这些数据为未来的功能基因组学研究提供了重要的参考。