Ученые создали пан-3D геном сои
Высокоупорядоченная структура хроматина необходима для работы цис-регуляторных элементов генома, играющих важную роль в регуляции генов. У эукариот организация трехмерного (3D) генома имеет иерархическую структуру: хроматин делится на различные домены, такие как территория хромосомы, компартменты A/B, топологически ассоциированные домены (TAD) и петли хроматина.
Хотя динамические изменения 3D генома в ходе эмбрионального развития млекопитающих изучены хорошо, генетическое разнообразие 3D генома у растений, особенно высших, исследовано недостаточно. Связь между геномными вариациями и вариациями 3D генома, а также влияние последних на доместикацию культур остаются малоизученными.
Группа исследователей под руководством профессора Тянь Чжиси из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук изучила это разнообразие и создала пан-3D геном сои, раскрыв взаимосвязь между геномом сои, его 3D структурой и экспрессией генов. Исследование опубликовано в Genome Biology.
Ученые получили высококачественные данные 3D генома, проведя эксперименты по захвату конформации хроматина высокопроизводительным методом (Hi-C) для 27 образцов зародышевой плазмы сои, геномы которых были собраны de novo в предыдущей работе.
Для изучения консервативности и изменчивости 3D генома они провели панорамный омиксный анализ и построили пан-3D геном сои. Оказалось, что компартменты A/B в целом консервативны у разных образцов сои, а их вариабельность тесно связана с геномными особенностями. При этом области с промежуточными геномными характеристиками были основным местом переключения между компартментами A и B.
Границы TAD определяют диапазон взаимодействий внутри доменов. Часто их вариация означает изменение в регуляции генов. Исследователи также построили пан-3D геном для границ TAD. Анализ показал, что границы TAD варьируют сильнее, чем компартменты A/B. Дальнейшее изучение выявило обогащение некодирующими ретротранспозонами (LINE и SINE) в областях вокруг границ TAD, что указывает на их важную роль в поддержании этих границ.
Кроме того, элементы Gypsy и сателлитные повторы были обогащены вокруг специфичных для отдельных образцов границ TAD, что говорит об их уникальной роли в формировании таких границ. Эти результаты впервые объясняют, как суперсемейства транспозонов (TE) изменяют 3D геном у растений.
Структурные вариации (SV) генома — основной источник генетического разнообразия. Из-за нехватки качественных данных о SV связь между вариациями 3D генома и геномными SV у растений ранее не изучалась. На основе высококачественных данных о SV из de novo сборки генома ученые исследовали эту связь. Оказалось, что вариации присутствия/отсутствия (PAV) играют наиболее важную роль в изменчивости 3D генома. Дальнейший анализ показал значительное увеличение содержания элементов Gypsy и сателлитных повторов в тех SV, которые формировали специфичные для образцов границы TAD.
Эти результаты подтвердили, что транспозоны могут изменять эволюцию 3D генома, вызывая структурные вариации. Чтобы изучить связь между разнообразием 3D генома и экспрессией генов, исследователи проверили их корреляцию на нескольких уровнях.
Также они изучили процесс отбора 3D генома у дикой сои, местных сортов и культивируемых сортов в ходе доместикации и улучшения. Выяснилось, что отбор по признакам 3D генома происходил в основном на этапе доместикации, а не улучшения. Этот отбор изменил регуляцию генов и привел к изменениям в экспрессии генов сои.
«Эта работа исследует генетическое разнообразие 3D генома среди растительной зародышевой плазмы путем построения пан-3D генома, раскрывает роль растительных транспозонов в изменении 3D генома, анализирует вариации 3D генома, вызванные геномными SV, а также отбор и последующие функциональные эффекты 3D генома в ходе доместикации сельскохозяйственных культур. Эти исследования открывают новый путь к пониманию эволюции растительного генома и предоставляют ценные ресурсы для молекулярной селекции», — сказал руководитель группы и автор-корреспондент исследования Тянь Чжиси.