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作者及研究机构
该研究的主要作者包括Mary Galli、Zongliang Chen、Tara Ghandour、Amina Chaudhry、Jason Gregory、Miaomiao Li、Xuan Zhang、Yinxin Dong、Gaoyuan Song、Justin W. Walley、George Chuck、Clinton Whipple、Heidi F. Kaeppler、Shao-Shan Carol Huang和Andrea Gallavotti。研究涉及的机构包括Rutgers University、New York University、University of Georgia、Iowa State University、Plant Gene Expression Center、Brigham Young University、University of Wisconsin等。该研究于2024年6月3日发表在bioRxiv预印本平台上。
学术背景
该研究的主要科学领域是植物基因组学，特别是玉米（maize）转录因子（transcription factors, TFs）结合位点的研究。转录因子在调控基因表达中起着关键作用，其结合位点的变异可能导致基因表达和表型的变化。然而，作物基因组中这些调控元件的功能和多样性尚未得到充分研究，这限制了农业进一步发展的潜力。因此，该研究旨在通过DNA亲和纯化测序（DNA affinity purification-sequencing, DAP-seq）技术，绘制玉米中200个转录因子的结合位点图谱，并比较不同玉米自交系（B73和Mo17）中的结合位点差异，以揭示这些差异如何影响基因表达和表型变异。
研究流程
- DAP-seq实验设计：研究首先选择了200个玉米转录因子，这些转录因子属于30个不同的家族和异二聚体对。研究使用了B73和Mo17两个玉米自交系的基因组DNA进行DAP-seq实验，以绘制转录因子的结合位点图谱。DAP-seq技术通过在体外表达转录因子，并与基因组DNA结合，随后通过测序确定结合位点。
- 数据生成与分析：研究团队对DAP-seq数据进行了大规模分析，生成了160万个非冗余的转录因子结合位点，覆盖了玉米基因组的5.3%。通过将这些结合位点与基因表达数据、结构变异数据等进行比较，研究揭示了B73和Mo17之间的广泛结合位点差异，并发现这些差异主要由结构变异驱动。
- CRISPR-Cas9基因编辑验证：为了验证转录因子结合位点的功能，研究团队使用CRISPR-Cas9技术对特定结合位点进行编辑，观察其对目标基因表达和表型的影响。例如，研究编辑了Vgt1和Dice等调控元件的结合位点，发现这些编辑显著改变了基因表达和表型。
- 转录因子异二聚体分析：研究还探讨了转录因子异二聚体对DNA结合位点选择的影响。通过DoubleDAP-seq技术，研究揭示了某些转录因子家族成员在形成异二聚体时，其结合位点特异性发生了显著变化。
主要结果
- 转录因子结合位点图谱：研究成功绘制了玉米中200个转录因子的结合位点图谱，揭示了这些结合位点在基因组中的分布和功能。结合位点的差异与基因表达的变化密切相关，表明转录因子结合位点的变异是表型变异的重要驱动因素。
- B73和Mo17结合位点差异：研究发现，B73和Mo17之间的转录因子结合位点存在广泛差异，这些差异主要由结构变异驱动。例如，在Vgt1调控区域，MADS69的结合位点在B73中存在，而在Mo17中由于插入了一个140bp的MITE转座子而缺失，这可能是Mo17早花表型的分子基础。
- CRISPR编辑验证：通过CRISPR-Cas9编辑，研究证实了转录因子结合位点的功能。例如，编辑Dice增强子区域导致了Bx1基因表达的显著变化，进而影响了玉米的害虫抗性。
- 异二聚体结合位点特异性：研究发现，某些转录因子家族成员在形成异二聚体时，其结合位点特异性发生了显著变化。例如，BHLH家族中的Q-A-R型成员在与SPT型成员形成异二聚体时，结合位点的数量和位置发生了显著变化。
结论
该研究通过DAP-seq技术绘制了玉米转录因子的结合位点图谱，揭示了不同玉米自交系中结合位点的差异及其对基因表达和表型的影响。研究结果表明，转录因子结合位点的变异是玉米表型多样性的重要驱动因素。此外，研究还展示了通过CRISPR-Cas9技术编辑转录因子结合位点，可以精确调控基因表达和表型，为农业育种提供了新的工具和思路。
研究亮点
- 大规模转录因子结合位点图谱：该研究首次在玉米中绘制了200个转录因子的结合位点图谱，为理解玉米基因组调控机制提供了重要资源。
- 结合位点差异与表型变异的关系：研究揭示了B73和Mo17之间转录因子结合位点的广泛差异，并发现这些差异主要由结构变异驱动，为玉米表型变异的分子机制提供了新的见解。
- CRISPR-Cas9验证：通过CRISPR-Cas9技术，研究验证了转录因子结合位点的功能，展示了通过编辑调控元件精确调控基因表达和表型的潜力。
- 异二聚体结合位点特异性：研究首次揭示了某些转录因子家族成员在形成异二聚体时，其结合位点特异性发生了显著变化，为理解转录因子调控网络的复杂性提供了新的视角。
其他有价值的内容
该研究还整合了多种功能基因组学数据，如开放染色质区域（ATAC-seq）、未甲基化区域（UMRs）和组蛋白修饰数据，进一步验证了转录因子结合位点的功能。此外，研究还开发了DoubleDAP-seq技术，用于分析转录因子异二聚体的结合位点特异性，为未来研究提供了新的方法学工具。