蜜蜂是一种真社会性昆虫，是研究社会性昆虫级型发育和级型分化的重要模式生物，其分工主要基于级型分化（蜂王(queen)和工蜂(worker)）。分化后，尽管基因组相同，但蜂王和工蜂具有不同的形态、生理、行为和寿命相关特征，级型分化的背后机制尚未完全了解。有证据表明，蜂王和工蜂之间营养状况的差异通过改变DNA甲基化模式来调节级型分化。此外Wnt信号通路、雷帕霉素靶蛋白（target of rapamycin，TOR）、营养响应通路和丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）通路等各种信号通路都与蜜蜂级型分化有关。然而没有证据表明组蛋白甲基化有助于蜜蜂发育，组蛋白甲基化在蜜蜂级型分化中的作用尚未确定。
2023年03月25日，江西农业大学蜜蜂研究所曾志将教授团队在《Int J Mol Sci 》期刊以“H3K4me1 Modification Functions in Caste Differentiation in Honey Bees“为题发表研究论文，该研究首次在蜜蜂级型分化的关键时间点(3龄期)之前(2龄期)和之后(4龄期)的H3K4me1分布进行了全基因组分析。研究结果表明，与2龄期相比，4龄期时的差异表达基因(DEG)和H3K4me1标记数量显著增加，且基因表达与H3K4me1呈负相关。进一步分析表明，蜂王和工蜂的染色质模式在4龄期时存在显著差异。H3K4me1修饰促进了工蜂幼虫发育。本研究结果揭示了H3K4me1在蜜蜂幼虫发育和级型分化中的重要作用。
标题：H3K4me1 Modification Functions in Caste Differentiation in Honey Bees（H3K4me1修饰在蜜蜂级型分化中的作用）
时间：2023-03-25
期刊：INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES
影响因子：IF 6.208
技术平台：ChIP-seq、RNA-seq、qRT-PCR等
摘要：
蜜蜂是表观遗传学研究的重要物种，具有相同基因型的雌性蜜蜂幼虫可以根据饮食等条件发育成表型不同的生物（不育工蜂和可育蜂王）。先前的研究表明，DNA甲基化和组蛋白修饰可以建立不同的基因表达模式，导致级型分化。目前尚不清楚组蛋白甲基化修饰H3K4me1是否也能影响级型分化。本研究分析了蜂王和工蜂幼虫的全基因组H3K4me1修饰，发现在2龄期和4龄期的工蜂幼虫中，H3K4me1标记比蜂王幼虫中更为富集，且许多与级型分化相关基因存在差异甲基化。值得注意的是，启动子区域的级型特异性H3K4me1可以诱导工蜂发育。总之，本研究结果表明，H3K4me1修饰可能是蜜蜂级型特异性转录程序构建和维持的重要调控因子；当然不排除其他表观遗传学修饰的潜在影响。
研究结果：
（1）蜜蜂的H3K4me1修饰在转录区域富集
图1：蜜蜂的H3K4me1修饰在转录区域富集A. 蜂王和工蜂幼虫中特异性H3K4me1 peaks数量条形图。B-C. 2龄期蜂王（2nd instar queen，2Q）VS 2龄期工蜂（2ndinstar worker，2W）、4龄期蜂王（4th instar queen，4Q） VS 4龄期工蜂（4th instar worker，4W）中启动子、内含子和外显子区域的特异性H3K4me1 ChIP-seq peaks百分比条形图。D. 蜂王和工蜂幼虫中差异H3K4me1 peaks数条形图。E-F. 2Q VS 2W和4Q VS 4W中启动子、内含子和外显子区域的差异H3K4me1 ChIP-seq peaks百分比条形图。
（2）级型分化特异性H3K4me1修饰模式与差异基因表达的相关性
图2：级型分化特异性H3K4me1修饰模式与差异基因表达的相关性A. 不同H3K4me1修饰基因和DEG在蜂王和工蜂之间的重叠分析Venn图。B. 蜂王和工蜂之间富集差异相对于H3K4me1信号的负对数p值的火山图。红色区域表示H3K4me1修饰在蜂王中上调。蓝色区域表示H3K4me1修饰在工蜂中上调。灰色表示无显著差异（p>0.05）。C. 通过ChIP-seq鉴定的蜂王和工蜂幼虫之间表达显著差异的散点图（x轴）与蜂王和工蜂幼虫之间转录本表达的Log2FC（y轴）。红色表示RNA-seq和ChIP-seq鉴定的差异一致。蓝色表示RNA-seq和ChIP-seq获得相反模式。灰色表示没有显著差异（p>0.05）。
图3：KEGG富集分析A-D. 在2Q (A)、2W (B)、4Q (C)和4W (D)中，特异性H3K4me1修饰富集相关基因的蜜蜂级型分化KEGG通路是负log2 p值。红色字体标记的是与级型分化相关通路，而黑色字体则不相关。E. 2Qvs 2W中，H3K4me1peaks相关差异基因的KEGG通路富集分析。F. 4Q vs 4W中，H3K4me1 peaks相关差异基因的KEGG通路富集分析。
（3）工蜂级型表征可能由H3K4me1诱导
图4：H3K4me1修饰通过调节基因表达水平和修饰丰度以促进在级型分化中的作用A. 幼激素酯酶(Juvenile hormone esterase，JHe;LOC406066)基因在2龄期和4龄期均达到全基因组显著性(p≤0.01)，且H3K4me1修饰具有2倍以上差异。B. 差异表达的候选级型分化相关转录本的RNA表达水平和H3K4me1丰度。
最后，研究选择5个在蜜蜂级型分化中具有既定作用的基因进行qRT-PCR验证，5个基因分别为JHe（Juvenile-hormone esterase）、Vg（Vitellogenin，LOC406088）、JHAMT（juvenile hormone acid O-methyltransferase，LOC724216）、Hex70a（hexamerin 70a，LOC726848）和Hsp90（heat shock protein 90，LOC408928）。结果验证了本研究转录组结果与之前研究结果一致，H3K4me1富集趋势与转录组数据趋势一致，支持了本研究结果的可靠性。幼激素（Juvenile hormone，JH）是蜜蜂级型分化的主要调节因子，Vitellogenin是JH的拮抗因子。H3K4me1在2龄期和4龄期工蜂Vg基因中富集显著高于蜂王。这些结果进一步支持了H3K4me1修饰在调控转录中的作用，并揭示H3K4me1和转录本协同调控对蜜蜂级型分化的影响。
结论
本研究通过ChIP-seq和对应的RNA-seq等实验，在蜜蜂的级型分化过程中，观察到蜂王和工蜂幼虫之间H3K4me1修饰的显著差异。染色质修饰可以调节决定蜜蜂级型基因转录。此外，H3K4me1修饰与工蜂幼虫发育的调控密切相关，可能是工蜂发育通路中的一个重要修饰。本研究结果表明了组蛋白甲基化对蜜蜂发育的贡献，并可能有助于进一步研究级型分化和发育可塑性。
参考文献：
ZhangY, Li Z, He X, Wang Z, Zeng Z. H3K4me1 Modification Functions in CasteDifferentiation in Honey Bees. Int J Mol Sci. 2023 Mar 25;24(7) pii:ijms24076217.
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