首次揭示模式植物拟南芥基因组中 R -loop 的分布特征

图 1：本研究中最新开发的基于单链 DNA 建库的 ssDRIP-seq 原理图。

图 2：metaplot 分析显示拟南芥基因组中既存在正义 r -loops（sense r-loops，由基因自身转录本与其模板链形成的 r -loop），也存在反义 r -loop（antisense r-loops，大多是由基因的反义转录本在正义链转录起始位点形成的 r -loop）。

2017 年 8 月 28 日，生命中心孙前文研究组与杨雪瑞研究组合作在植物学期刊《nature plants》在线发表题为“the r-loop is a common chromatin feature of the arabidopsis genome”的研究论文，报道了精准、高效、高通量检测 r -loop 的方法，并利用此方法揭示模式植物拟南芥基因组中 r -loop 的分布特征。

r-loop 是一种特殊的染色体结构，由一条 rna:dna 杂合链和一条单链 dna 所组成。目前越来越多的证据发现这种独特的染色质结构在原核和真核生物中普遍存在，在很多关键的生物学过程中发挥重要功能，包括染色质修饰、转录调控、dna 损伤修复以及基因组稳定性等。drip-seq（dna:rna hybrid immunoprecipitation and sequencing）是一种基于特异识别 dna:rna 杂合链抗体的免疫共沉淀及高通量测序分析技术，已被用来检测人、小鼠、酵母等模式生物全基因组水平的 r -loop 分布。但已有的 r -loop 全基因组检测方法存在严重的技术缺陷，对数据的质量有不可忽视的影响。此外，植物全基因组水平的 r -loop 分布特征尚不清楚。

该研究以模式植物拟南芥为材料，在传统 r -loop 全基因组检测技术基础上开发出一种全新的检测方法：基于单链 dna 建库的 dna:rna 杂合链免疫共沉淀及高通量测序技术（简称 ssdrip-seq, single-strand dna ligation-based library construction of dna:rna hybrid immunoprecipitation and sequencing，详见图 1）。与已报道的全基因组 r -loop 检测方法相比，ssdrip-seq 表现出易操作、精准、高效、高度灵敏、可重复性好等优点，并且可获得 dna 链特异性信息。基于 ssdrip-seq，该研究获得了拟南芥全基因组水平 r -loop 的精准分布特征，如 r -loop 在拟南芥基因组中分布广泛且相对稳定，与基因表达、dna 甲基化、染色质修饰、gc/at skew 等存在着紧密关系。不同于哺乳动物基因组，拟南芥中广泛存在一类反义长非编码 rna 在正义链转录起始位点形成的 r -loop（图 2），推测这类特别的 r -loop 在调节基因转录起始或控制基因转录过程中发挥重要作用。该研究还基于所获得的数据对 r -loop 在基因沉默和基因组构成等中的功能进行了展望。 nature plants 杂志专门邀请加州大学戴维斯分校 frederic chedin 教授为本研究撰写评论文章，彰显此项研究在领域内的重要性。

孙前文实验室成立于 2014 年秋，重点关注植物 r -loop 的形成、稳定和解除的调节机制及相应的生物学功能。本研究是孙前文实验室继报导 r -loop 调节长非编码 rna 表达并影响拟南芥开花（science, 2013）和 r -loop 调控水稻根的向地性（molecular plant, 2017）之后的又一重要成果。ssdrip-seq 这种精准、高效、高通量 r -loop 检测技术的建立为随后的功能研究提供了重要手段，将成为全基因组 r -loop 分析的标准，并全面打开全基因组水平分析 r -loop 的分布及后续功能研究的大门。