Nature Plants | 华盛顿大学揭示基因调控新机制

2025年5月，华盛顿大学基因组科学系Kerry L. Bubb等人，在Nature Plants发表了题为The regulatory potential of transposable elements in maize的文章。该研究首次利用单分子长读长染色质纤维测序(Fiber-seq)技术，突破了短读长测序在重复序列识别中的局限，揭示了玉米转座因子(TEs)在基因调控中的深层调控机制。

研究的核心成果：

1.提供单分子分辨率、单核苷酸精度的染色质可及性与甲基化图谱。

2.发现LTR反转录转座因子通过ACRs被宿主基因征用为启动子并促进基因扩增。

3.揭示植物特有的高5mCpG甲基化与染色质可及性共存的增强子状态，挑战表观标记互斥传统认知。

4.阐明hAT转座因子由弥散可及性与低5mCpG甲基化协同指导插入的机制，为McClintock经典发现提供分子解释。

Fiber-seq技术突破短读长测序对重复序列的定位局限，首次在玉米中实现染色质可及性(m6A标记)与内源5mCpG甲基化的全基因组同步单分子检测。

图1.Fiber-seq技术优势

研究揭示，仅2%的完整LTR反转录转座子含有 FIRE ACRs，这一发现印证了植物特异的RNA介导DNA甲基化通路能够高效沉默转座子。年轻LTRs(LTR序列相似性>99.8%，结构完整)保留成对双侧ACRs(增强子+启动子)，呈低5mCpG甲基化；年老LTRs退化为单侧ACRs，形成可及性与高5mCpG甲基化共存的植物特异表观状态。

图2.LTR反转座子的表观特征

TEs衍生的染色质可及区域可被宿主基因征用为启动子，并可能促进基因扩增。例如，位于LTR反转录转座子内部的组蛋白去乙酰化酶基因在玉米B73基因组中鉴定出21个高置信度旁系同源基因，而93%表达水平与长度相似的基因同源基因少于5个。

图3.TEs的宿主基因调控作用

研究发现，hAT转座因子具有插入位点偏好性，会优先选择具有弥漫性基因体染色质可及性和低5mCpG甲基化的区域，包括McClintock最初发现转座因子插入的基因座。

图4.hAT转座体插入机制

该研究利用Fiber-seq技术更全面地识别染色质可及区域，并发现LTR反转录转座因子的可及染色质区域模式随进化年龄退化hAT转座因子的插入受特定表观特征(弥散可及性和低甲基化)引导，为理解植物基因组中重复序列的调控潜力提供了新范式，为作物遗传改良提供了理论依据。