近日，美国威斯康星大学Jiming Jiang课题组在Genome Biology上发表了题为“Cold stress induces enhanced chromatin accessibility and bivalent histone modifications H3K4me3 and H3K27me3 of active genes in potato”的研究论文。威斯康星大学Jiming Jiang教授为通讯作者，四川师范大学曾子贤教授为该论文的第一作者。该研究首次揭示了冷胁迫诱导马铃薯块茎基因区的染色质开放性增加及H3K4me3-H3K27me3二价组蛋白修饰。其中染色质开放性的增加经常与响应温度变化的差异表达基因相关。同时，该研究发现，存在于同一核小体上的H3K4me3-H3K27me3二价组蛋白修饰相关的表达上调基因多参与应激反应，而表达下调基因则与发育相关。

冷胁迫可以极大的影响植物的生长发育。虽然植物科学家发现了许多参与冷应激反应的基因，但很少有研究致力于由冷或其他非生物胁迫引起的全基因组染色质动态变化。顺式作用元件是具有调控基因表达功能的DNA序列。顺式调控元件由于具有较为松散的染色质结构，更容易被DNaseI酶切，这些特异性酶切位点被称做DNaseI超敏感位点（DHS）（见下图）。DHS通常与增强子、启动子高度相关。 

图.DNase-seq

DHS附近的组蛋白修饰也在转录调控中起着至关重要的作用。H3K4me3是一种常染色质标记，主要分布在活跃表达基因的5'末端；相反，H3K27me3主要与植物基因沉默相关。通常情况下，两种组蛋白修饰极少出现在同一核小体上。在同一核小体上同时出现活性和抑制性组蛋白修饰的染色质区域被描述为二价结构域（见下图）。H3K4me3和H3K27me3标记的二价结构域最早在小鼠胚胎干细胞（ESC）中发现。在哺乳动物系统中，H3K4me3-H3K27me3二价结构域主要与胚胎干细胞中谱系特异性基因的启动子相关，这些基因通常以较低的水平表达来维持胚胎干细胞的全能性。在植物中，二价H3K4me3-H3K27me3标记的存在和功能仍有待阐明。

图. True H3K4me3-H3K27me3 bivalent mark

马铃薯是重要的经济作物，其块茎必须低温储存，以防止发芽并最大限度减少疾病损失。不幸的是，冷藏会引发还原糖的积累，这被称为低温糖化现象（CIS）。CIS是对马铃薯产业最重要和最持久的挑战之一。因此，研究冷藏块茎相关的染色质动力学，可以进一步的了解冷藏期间马铃薯基因的表达和调节。

该研究首先构建室温储藏及低温储藏马铃薯全基因组水平的高分辨率DHS图谱。在室温储藏块茎中共鉴定出50,531个DHS，低温储藏块茎中61,986个DHS，且超过一半的DHS是低温条件所特有的，并富集在基因区上。进一步研究表明，基因区新增的DHS与基因间区新增的DHS相比与差异基因表达的关联更显著。同时发现，在冷胁迫下，表达基因的基因区DNase I敏感性升高，即便是在组成型沉默基因的基因区也发现了类似的趋势（见下图）。这说明冷胁迫后绝大多数基因区域染色质开放程度均有所增强。

Fig. 4 Dynamics of DNase I sensitivity between temperature treatments and between tissue types for genes in different expression level categories in potato.

此外，在低温储藏时，大量活性基因同时与H3K4me3和H3K27me3的组蛋白修饰相关（见下图）。接下来，并通过reChIP实验证明两个组蛋白修饰同时存在于同一个核小体上，为H3K4me3-H3K27me3标记的二价结构域。

Fig. 5 Heatmap of histone modifications surrounding active genes in RT tubers, cold tubers, and leaves of potato.

研究发现与H3K4me3-H3K27me3标记的二价结构域相关的上调基因富含在与应激反应相关功能的基因，而与二价标记相关的下调基因则参与发育过程。因此，该研究揭示了冷胁迫后，马铃薯块茎增加基因区的染色质开放性并增加H3K4me3-H3K27me3标记的二价结构域，这可能代表了一种独特的染色质环境，通过上调和下调相应基因的表达水平来应对冷胁迫（见下图）。

原文链接：

https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-019-1731-2