六篇Genome Res:模式生物的“百科全书”
modENCODE项目的一系列最新成果登上了本期Genome Research杂志的封面。这一项目启动于2007年,是建立在ENCODE计划之上的模式动物“生命百科全书”,旨在对两个模式生物(黑腹果蝇和秀丽隐杆线虫)的功能性基因组元件进行综合性分析。modENCODE联盟本次发表的六篇文章,为人们提供了与胚胎发育、DNA复制、转录调控有关的宝贵信息。
1. 变态之后的发育
人们一直认为胚胎发育是高度保守的,但并不了解发育过程保守到什么程度。为此,Jingyi Jessica Li和同事比较了果蝇和线虫在不同发育阶段的基因表达情况,这两种生物大约在六亿年前分支开。
果蝇和线虫存在着许多差异,包括形态、大小、生命周期和性别比例(99.5%的成年C. elegans是雌雄同体)。不过研究人员发现,线虫和果蝇的发育共享着保守的基因表达模式。研究人员通过一种新统计学方法,鉴定那些与特定发育阶段相关的基因,然后在线虫和果蝇中对这些基因进行比较。
研究显示,线虫和果蝇的发育阶段存在着对应关系,只不过有时线虫一个发育阶段,对应着果蝇的两个阶段。与线虫不同的是,果蝇会经历变态(metamorphosis)过程,一些幼虫细胞死亡而另一些细胞增殖,最终成为成年果蝇。“我们看到,果蝇在变形之后重复了一部分的发育程序,”文章的共同通讯作者Steven Brenner说。
原文:Comparison of D. melanogaster and C. elegans developmental stages, tissues, and cells by modENCODE RNA-seq data
2. 组蛋白修饰与DNA复制
基因组通过复制传递到下一代,这一过程的保真性非常关键,可以阻止致病突变的出现。染色质由DNA和组蛋白构成,其上带有各种化学修饰。人们知道,组蛋白修饰指导着DNA的包装和转录,但并不清楚这些修饰对DNA复制有何具体影响。
“DNA复制必须非常精确,还需要与其他以DNA为模板的过程相互协调(例如转录),” David MacAlpine说。
MacAlpine和同事使用一种称为Repli-seq的技术,通过二代测序研究新复制的DNA区域。较早复制的DNA片段占基因组的三分之一,这些片段与活性组蛋白标记、高基因密度、高水平基因表达有关。较晚复制的片段不含活性的组蛋白标记,而是富含抑制性的组蛋白修饰,这些区域中的基因也比较少。
研究显示,减少雄性X染色体上的组蛋白H4K16乙酰化,不仅能减少转录,还会推迟DNA的复制。鉴于起始识别复合体(ORC)的结合量并没有变,作者们认为复制时机的改变是因为ORC结合位点的活性减弱。
“modENCODE计划生成了丰富的高质量基因组数据,帮助我们在高等生物中进一步理解了局部染色质环境对DNA复制程序的调控。”MacAlpine说。
原文:The DNA replication and transcription programs respond to the same chromatin cues.
3. 描绘基因表达的蓝图
尽管已经有越来越多的生物被测序,但人们对大部分基因组的功能还并不了解,尤其是调控基因表达的非编码区域。
Kevin White和同事基于之前的工作,在全基因组范围内,绘制了84种转录调节因子(TRF)的结合图谱。他们在果蝇基因组中鉴定了超过四亿个结合位点,这些位点绝大多数在基因启动子附近,但也有相当一部分出现在远端。“注释调控元件和鉴定与之结合的转录调节子,是理解细胞遗传学蓝图的关键,”文章的作者Matthew Slattery说。
研究人员发现,大约10%的TRF区域与超过14种因子结合,在这些“HOT”区域中染色质和基因表达非常活跃。而“COLD”区域(与1-3个TRF结合)则代表着不活跃的染色质环境。研究还显示,HOT区域更能驱动多细胞系中的基因表达。
大多数TRF与活跃的基因组区域结合,但有些重要的发育基因结合在不活跃的区域,包括那些受到蛋白Polycomb抑制的区域。另一方面,TRF的编码基因也受到Polycomb的抑制。这些发现为人们展现了,胚胎发育过程中的一个独特调控网络。
原文:Diverse patterns of genomic targeting by transcriptional regulators in Drosophila melanogaster.
4. 完善果蝇转录组的注释
在这项研究中,科学家们进一步注释了果蝇的转录本。他们对15个果蝇品种的多种组织进行了RNA测序,结果显示,果蝇的很大一部分转录本是进化保守的。研究人员指出,比较分析对于改善人类基因组的注释很有帮助。
原文:Comparative validation of the D. melanogaster modENCODE transcriptome annotation.
除了以上四篇文章之外,还有两项modENCODE成果发表在这一期的杂志上,分别是:
Evolution of H3K27me3-marked chromatin is linked to gene expression evolution and to patterns of gene duplication and diversification.
Diversity of miRNAs, siRNAs, and piRNAs across 25 Drosophila cell lines.
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