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互作研究:RNA m6A修饰促进玉米籽粒发育过程中的DNA甲基化

互作研究:RNA m6A修饰促进玉米籽粒发育过程中的DNA甲基化

作者: 表观遗传学爱好者 | 来源:发表于2024-01-30 09:59 被阅读0次

    mRNA中的N6-甲基腺苷(m6A)和DNA中的5-甲基胞嘧啶(5mC)对于调控基因表达和调节植物生长发育具有关键功能。然而,m6A和5mC之间的互作是一个难以捉摸的领域,在植物中的机制尚不清楚。

    2023年11月23日,中国农业大学贺岩教授课题组以“RNA m6A modification facilitates DNA methylation during maize kernel development“为题在《Plant Physiol》杂志发表研究论文,研究揭示了玉米(Zea mays)籽粒发育过程中m6A和5mC之间的密切关系,至少部分归因于ZmMTA(Zea mays MTA,m6A关键参与因子)和ZmDDM1(5mC关键参与分子)之间的相互作用,且RNA修饰和DNA甲基化之间的互作可能在植物中保守。

    标题:RNA m6A modification facilitates DNA methylation during maize kernel development(RNA m6A修饰促进玉米籽粒发育过程中的DNA甲基化)

    时间:2023-11-28

    期刊:Plant Physiology

    影响因子:IF7.4/1区

    技术平台:MeRIP-seq(m6A-seq)、BS-seq、RNA-seq等

    研究摘要:

    本研究通过m6A-seq和BS-seq等分析揭示了玉米(Zea mays)中m6A和5mC之间通过mRNA腺苷甲基化酶(ZmMTA)(m6A甲基转移酶复合体的关键因子)与DNA甲基化1(ZmDDM1)(调控DNA甲基化的关键染色质重塑因子)减少之间的相互作用而发生串扰。与无m6A修饰的基因相比,带有m6A修饰的基因具有更高水平的DNA甲基化。ZmMTA功能丧失导致玉米胚胎发生和胚乳发育过程中严重停滞,导致m6A修饰基因5'区CHH甲基化显著降低。而ZmDDM1功能丧失对ZmMTA相关活性没有明显影响。这项研究在玉米籽粒发育过程中建立了m6A和5mC之间的直接联系,并提供了RNA修饰和DNA甲基化之间相互作用的见解。

    研究结果

    (1)RNA m6A修饰与DNA甲基化之间的相互作用

    图1:m6A修饰和DNA甲基化的协作。 A. 在genebody及其±2 kb区域中,比较每个序列背景(CG,CHG和CHH)的所有基因(带有或不带有m6A修饰)的DNA甲基化水平。m6A修饰基因是指具有m6A peaks的基因,m6A沉默基因是指没有m6A peaks的基因。总基因n=20316,带有m6A修饰基因n=7472,不带有m6A修饰基因n=12844。使用双侧Wilcoxon符号秩检验进行统计分析:*P<0.05,**P<0.01和***P<0.001。 B. 不同m6A强度的基因的DNA甲基化谱。所有m6A修饰基因根据m6A强度从高到低分为3组,分别用红色、蓝色和黑色表示。将具有高水平和中等水平m6A修饰基因分别与具有中等水平和低水平m6A修饰的基因进行比较。每组基因n=2490。统计学分析采用双侧Wilcoxon符号秩检验:*P<0.05,**P<0.01,**P<0.001。

    (2)ZmMTA在玉米胚乳发生和胚乳发育中的作用

    图2:ZmMTA功能丧失严重阻碍了玉米的胚胎发生和胚乳发育。 A. ZmMTA基因结构图和EMS突变位点。黑色框和白色框分别表示外显子和UTR。红色框表示MT-A70域的编码区。EMS突变位点用三角形标记。 B. zmmta-1/+在14 DAP(左)和成熟期(右)的自交穗。代表性的突变核用红色箭头表示。对图像进行数字提取以进行比较。Bar=1 cm。 C. 4~14 DAP野生型和zmmta-1突变体核的石蜡切片。这些切片用碱性品红染色。Bars=1 mm。 D. 突变位点的野生型和zmmta-1突变体进行Sanger测序。 E. Western blot检测野生型和ZmMTA-1突变体核中ZmMTA蛋白的表达。 F. 野生型和zmmta-1突变体在14 DAP时的流式细胞术图谱。C值显示在每个peak顶部。 G. LC-MS/MS分析显示野生型和zmmta-1突变体的总mRNA m6A丰度。数据代表3个生物学重复的平均值±SD。统计分析采用t检验。 

    (3)zmmta功能丧失影响大量基因的表达和胚胎发育

    图3:野生型和zmmta-1突变体中转录组比较分析。 A~B.  相对于野生型,zmmta-1突变体中的DEGs(A)或TEs(B)。DEGs(或TEs)(倍数变化≥2,FDR<0.01)用红色或蓝色表示,而未变化的基因(或TEs)用灰色表示。 C.   zmmta-1胚胎中下调(上)或上调(下)DEG的GO富集分析。圆圈的大小表示DEG的数量。颜色表示每个GO项的-log 10(P值)。

    (4)ZmMTA对于m6A修饰基因的5'区域的mCHH是必需的

    图4:ZmMTA促进m6A修饰基因5'区的mCHH。 A) 野生型和zmmta-1突变体中的整体DNA甲基化水平。使用Fisher精确检验对野生型和zmmta-1突变体进行统计分析,共有3个生物学重复:*P<0.05和**P<0.01。 B) 野生型和zmmta-1突变体中带有或不带有m6A修饰的基因中DNA甲基化(CG,CHG和CHH)的宏基因谱。野生型和zmmta-1突变体中m6A+的n=7472,m6A-的n=12844。使用野生型和zmmta-1突变体之间的双侧Wilcoxon符号秩和检验进行统计分析:*P<0.05,**P<0.01和***P<0.001。

    (5)ZmMTA与ZmDDM1的相互作用

    图5:ZmMTA与ZmDDM1相互作用。 A) ZmMTA和ZmDDM1的Co-IP(共免疫沉淀)实验。野生型ZmDDM1 的IP产物中检测到ZmMTA,但未从ZmDDM1突变体中检测到。同样,在野生型的ZmMTA-IP产物中检测到ZmDDM1,但未从ZmMTA-1突变体中检测到。 B) Y2H(酵母双杂交)实验显示ZmMTA与ZmDDM1A或ZmDDM1 B的相互作用。AD表示GAL4激活域;BD表示GAL4 DNA结合结构域。使用空的pGADT7和pGBKT7载体之间的相互作用作为阴性对照。 C) LCI(荧光共振能量转移)实验显示N.benthamiana叶片中ZmMTA与ZmDDM1A或ZmDDM1B的相互作用。左上部分显示互作信号;其他3个部分显示阴性对照信号。每个部分旁边的标签表示特定的组合。荧光信号强度表示相互作用活性。

    (6)RNA m6A修饰促进ZmDDM1靶向TSS

    图6:m6A促进ZmDDM1与TSS(转录起始位点)的结合。 A. 饼图描绘了ZmDDM1A和ZmDDM1 B在带有或不带有m6A修饰基因的5个片段的peaks分布。ZmDDM1-occupied基因是指具有ZmDDM1 peaks基因,而ZmDDM1-unoccupied基因指没有ZmDDM2 peaks的基因。 B. 野生型ZmDDM1占比Metaplots图。基于m6A修饰和ZmDDM1A(左)和ZmDDM1B(右)占比情况将所有表达的基因分为4类。在有或没有ZmDDM1A基因之间进行比较。使用双侧Wilcoxon符号秩检验进行统计分析:*P<0.05、**P<0.01和***P<0.001。 C. 野生型基因mCHH的Metagene图谱。所有表达基因根据m6A修饰和ZmDDM1A(左)和ZmDDM1B(右)被分为4类。在有或没有ZmDDM1B基因之间进行比较。使用双侧Wilcoxon符号秩检验进行统计分析:*P<0.05、**P<0.01和***P<0.001。

    (7)ZmDDM1变化对ZmMTA相关活性没有影响

    图7:ZmDDM1对ZmMTA相关活性没有影响。 A. 野生型和zmddm1突变体中ZmMTA转录本丰度的RT-qPCR分析。数据代表3个生物学重复的平均值±SD。使用Student t检验进行统计分析。 B. 野生型和zmddm1突变体中ZmMTA蛋白丰度的Western blot分析。 C. 野生型和zmddm1突变体中的ZmMTA蛋白免疫定位分析。Bars=5μm。 D. LC-MS/MS分析显示野生型和zmddm1突变体中的整体mRNA m6A丰度。数据代表三个生物学重复的平均值±SD。使用Student t检验进行统计分析。 E. 野生型和zmddm1突变体中m6A位点沿标准化转录本分布的Metagene图谱。 F. 饼图描绘野生型(左)和zmddm1突变体(右)中非重叠转录本片段中的m6A peaks分布。

    研究小结

    本研究通过MeRIP-seq和BS-seq的综合分析揭示了m6A和5mC之间的全基因组关联,并表明了RNA m6A甲基转移酶ZmMTA与染色质重塑因子ZmDDM1相互作用,并可能促进其靶向TSS。本研究揭示了m6A和5mC之间的相互作用,并表明RNA修饰信息从RNA直接传递至DNA,以调控复杂的表观基因组。考虑到m6A和5mC在介导基因表达中的广泛作用,这种动态变化可能在许多细胞环境中具有重要的调控功能。

    参考文献:LuoJH, Guo T, Wang M, Liu JH, Zheng LM, He Y. RNA m6A modification facilitates DNAmethylation during maize kernel development. Plant Physiol. 2023 Nov 23. pii:7444906. doi: 10.1093/plphys/kiad625. PubMed PMID: 37995374.

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