[陳柏仰] 阿拉伯芥跳躍子的調控機制——表觀遺傳修飾驅動的協同與拮抗調控

跳躍子 (transposons) 在植物基因體中佔了很高的比例，且其活性受到多種蛋白與表觀遺傳機制 （如DNA 甲基化、組蛋白修飾、染色質開放程度等）的精密調控，是複雜且重要的機制。活躍的跳躍子可導致基因組不穩定、影響鄰近基因表現、甚至植物生長與發育，因此我們研究跳躍子表現量如何受到多種蛋白與表觀遺傳機制的相互影響。組蛋白去乙醯酶HDA6可通過移除H3Ac以及H3K4me2來抑制跳躍子，且HDA6與組蛋白去甲基酶LDL1/LDL2能夠去除H3Ac和H3K4me2以協同抑制長鏈非編碼RNA的表達，所以我們推測HDA6和LDL1/LDL2也能利用協同調控，在跳躍子抑制中扮演重要角色。而研究這兩種蛋白如何互相合作，以及它們如何調節多種表觀遺傳機制來抑制跳躍子，成為破解這一複雜且關鍵的跳躍子調控機制的關鍵拼圖。首先，我們為了精確衡量每個跳躍子受到HDA6與LDL1/LDL2的協同調控，開發了一個計算指標，利用這個指標，我們的發現超越了以往的認知，揭示了HDA6與LDL1/LDL2不僅僅以協同合作的方式抑制跳躍子，也可使用拮抗的方式。我們發現這兩種調控模式的選擇不僅與HDA6和LDL1/LDL2對於表觀遺傳修飾H3Ac、H3K4me2以及DNA甲基化影響力緊密相關。我們進一步發現協同模式有兩種：74%的跳躍子主要受到HDA6的調控，對LDL1/LDL2的依賴較小，其餘26%則顯示HDA6和LDL1/LDL2的調控力相似，顯示在協同調控模式中，HDA6對大多數跳躍子有著非常強的抑制力，而LDL1/LDL2的直接影響力雖然相對較侷限，但在驅動交互作用中扮演了重要角色。最後，我們提出了一個有關表觀遺傳調控的生物模型：『染色質環境的改變發生在表現量和表觀遺傳修飾變化之前，隨著染色質變得開放，先發生了去甲基化，再發生H3Ac和H3K4me2的增加，最終導致對於跳躍子的抑制力消失』。這個研究規劃了大量生物資訊計算策略，層層揭示了跳躍子調控中，由表觀遺傳驅動的協同與拮抗調控機制，將有助於後續跳躍子應用的開發。

本文為本所 陳柏仰老師與台大植科所 吳克強老師之實驗室共同合作，第一作者 謝若微博士來自陳柏仰老師實驗室，她進行栽培突變體、次世代定序實驗與多體學綜合分析以建立表觀遺傳調控層次的生物模型。論文已刊載於美國植物生物學會期刊《植物生理學》(Plant Physiology)，研究經費來自中央研究院與國家科學及技術委員會專題研究計畫。

論文: Jo-Wei Allison Hsieh, Ming-Ren Yen, Fu-Yu Hung, Keqiang Wu*, Pao-Yang Chen* (2024) Epigenetic factors direct synergistic and antagonistic regulation of transposable elements in Arabidopsis. Plant Physiology, https://doi.org/10.1093/plphys/kiae392