真核生物基因組中的轉(zhuǎn)錄狀態(tài)主要包括轉(zhuǎn)錄激活和沉默。轉(zhuǎn)錄沉默通常與基因組中的異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域相關(guān)，該區(qū)域往往富集了高水平的DNA甲基化和抑制性組蛋白修飾，并顯示出高度緊湊的染色質(zhì)狀態(tài)，最終導(dǎo)致RNA聚合酶無法進(jìn)入，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄抑制。相反，轉(zhuǎn)錄激活主要發(fā)生在更開放、松散的常染色質(zhì)區(qū)域，這種染色質(zhì)環(huán)境便于結(jié)合RNA聚合酶II，并與轉(zhuǎn)錄活躍型組蛋白修飾（諸如常被研究的H3K36甲基化修飾等）高度關(guān)聯(lián)。
2025年3月31日，清華大學(xué)生命學(xué)院孫前文實(shí)驗室在Nature Plants發(fā)表了題為H3K36 methylation stamps transcription resistive to preserve development in plants的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)了一種全新概念的染色質(zhì)狀態(tài)——“轉(zhuǎn)錄阻抗”（Transcription Resistive）。與學(xué)界普遍認(rèn)知的轉(zhuǎn)錄激活及轉(zhuǎn)錄沉默現(xiàn)象不同，轉(zhuǎn)錄阻抗位點(diǎn)具有與轉(zhuǎn)錄激活區(qū)域相似的染色質(zhì)環(huán)境，包括富集了RNA聚合酶II（Pol II），組蛋白修飾H3K36me3和高度開放、松散的染色質(zhì)狀態(tài)，但其轉(zhuǎn)錄水平與轉(zhuǎn)錄沉默位點(diǎn)一致——幾乎檢測不到新生轉(zhuǎn)錄本(nascent transcripts)，綜合呈現(xiàn)出一種“抵抗轉(zhuǎn)錄”的特征。
該研究起始于分析擬南芥中不同H3K36甲基轉(zhuǎn)移酶催化H3K36甲基化的差異。研究人員對不同的甲基轉(zhuǎn)移酶突變體進(jìn)行了H3K36me3的ChIP-seq分析，并意外發(fā)現(xiàn)與野生型Col-0相比，突變體sdg8中編碼基因上的H3K36me3水平顯著增加（圖1a）。隨后根據(jù)突變體sdg8中H3K36me3水平的變化模式，研究人員對編碼基因進(jìn)行了分類（分為C1-C4共四類，圖1b和c），其中SDG8基因突變會導(dǎo)致C3類別的基因位點(diǎn)（約占總基因數(shù)的40%）表現(xiàn)出顯著升高的H3K36me3水平，表明甲基轉(zhuǎn)移酶SDG8存在抑制H3K36me3積累的功能（圖1b）。
圖1 SDG8基因突變導(dǎo)致C3類基因位點(diǎn)H3K36me3水平升高
為了探究sdg8突變體中H3K36me3水平升高基因（C3基因）的轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，研究人員進(jìn)行了新生轉(zhuǎn)錄本測序(NET-seq)。結(jié)果表明，無論在野生型還是sdg8突變體中，C3基因位點(diǎn)處幾乎檢測不到轉(zhuǎn)錄活性（圖2b-d），這一結(jié)果與現(xiàn)有的H3K36me3增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄延伸觀點(diǎn)相悖。我們已知轉(zhuǎn)錄激活(Transcription Active，TA)區(qū)域為具有Pol II結(jié)合以及開放染色質(zhì)狀態(tài)（高信號的ATAC-seq）且轉(zhuǎn)錄水平較高的區(qū)域（圖2a-d，圖3）。與之相對應(yīng)，研究人員將有Pol Ⅱ結(jié)合(Pol II ChIP-seq)和開放染色質(zhì)狀態(tài)(ATAC-seq)但Pol II轉(zhuǎn)錄信號極低（Pol Ⅱ Ser2P NET-seq水平）的區(qū)域定義為“轉(zhuǎn)錄阻抗”(Transcription Resistive，TR)區(qū)域（圖2a-d，圖3）。
圖2 H3K36me3標(biāo)記擬南芥轉(zhuǎn)錄阻抗基因
根據(jù)這一定義，研究人員在擬南芥基因組中鑒定到了4375個TA基因和12911個TR基因（圖3）。TR和TA基因均與轉(zhuǎn)錄抑制性染色質(zhì)標(biāo)記（如H3K9me2、H3K27me1、H3K27me3等）呈負(fù)相關(guān)，但與轉(zhuǎn)錄活躍型染色質(zhì)標(biāo)記（如H3K4me3、H3K36me3等）呈正相關(guān)（圖2a，圖3）。有趣的是，TR基因相較于TA基因有更富集的H3K36me修飾，尤其是H3K36me3修飾（圖2a）。據(jù)統(tǒng)計，TR基因占擬南芥基因組中編碼基因總數(shù)的47.5%，表現(xiàn)出類似于TA基因的活躍染色質(zhì)狀態(tài)（圖2a，圖3），卻只有極低水平的轉(zhuǎn)錄活性。研究人員還發(fā)現(xiàn)擬南芥中大量的“必需基因(essential genes)”處于轉(zhuǎn)錄阻抗?fàn)顟B(tài)，并且這種轉(zhuǎn)錄阻抗?fàn)顟B(tài)在擬南芥已知的5種H3K36me3甲基轉(zhuǎn)移酶協(xié)同作用中維持平衡。進(jìn)一步對單子葉植物水稻和哺乳動物小鼠的培養(yǎng)細(xì)胞進(jìn)行類似的染色質(zhì)狀態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄阻抗現(xiàn)象可能普遍存在于真核生物基因組中。
圖3 染色質(zhì)狀態(tài)的4種主要分類及其代表性的組蛋白修飾標(biāo)記
此研究提出的“轉(zhuǎn)錄阻抗(Transcription Resistive)”概念突破了領(lǐng)域內(nèi)長久以來形成的關(guān)于染色質(zhì)狀態(tài)“非活躍即沉默”的二元認(rèn)知范式，鑒定出具有獨(dú)特表觀遺傳標(biāo)記與功能特性的第三類轉(zhuǎn)錄狀態(tài)。這種處于“活躍”和“沉默”之間的中間態(tài)不僅重構(gòu)了染色質(zhì)功能分區(qū)理論，更揭示了基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的層級性，對染色質(zhì)修飾的功能和基因組轉(zhuǎn)錄的狀態(tài)進(jìn)行了重新定義，開啟了全新研究領(lǐng)域的序幕。
清華大學(xué)生命學(xué)院已畢業(yè)博士研究生姚堯和博士后周勁聰（已出站，現(xiàn)為廣州大學(xué)生命學(xué)院副教授）為本文共同第一作者，孫前文副教授為通訊作者。同實(shí)驗室成員王嘉誠、雷雪和江安潔也參與到本研究中部分?jǐn)?shù)據(jù)收集與分析。本文作者感謝英國John Innes Centre研究所Caroline Dean教授和清華大學(xué)生命學(xué)院頡偉教授提供的寶貴意見和建議。此研究得到了國家自然科學(xué)基金和清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41477-025-01962-6
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