南京农业大学农学院张文利课题组在水稻非B型DNA二级结构的鉴定及功能分析方面取得新进展

　　近日，南京农业大学农学院张文利课题组在Nucleic Acids Research上发表了题为“Genome-wide characterization of i-motifs and their potential roles in the stability and evolution of transposable elements in rice”的研究论文。该研究首次通过发展iM-IP-seq方法，在全基因组水平鉴定了水稻DNA i-motif（intercalated motif，iM）位点的分布，揭示了其序列特征；研究了该结构与DNA胞嘧啶甲基化的关系以及对转座子活性的影响。

 

　　生物体基因组中，除了典型的DNA右手双螺旋（B型）结构外，还存在多种非B型DNA二级结构，如R-loop、G-quadruplex（G4）和i-motif等。越来越多的研究结果表明，非B型DNA二级结构蕴藏着重要的调控信息，通过二级结构的形成和打开快速响应体内外环境信号变化并参与一系列重要的生物学过程。i-motif富含胞嘧啶（C）序列，在人和动植物基因组中普遍存在。近年来，相关研究结果表明，i-motif在维持人基因组结构稳定性、DNA复制、基因转录和翻译等多种生物学过程中发挥着重要的作用。特别是，i-motif普遍存在于人癌症基因启动子区，与癌症基因的表达密切相关，从而为药物基因组学提供了一类新型的抗癌靶点。因此，i-motif生物学功能研究已成为人和动物调控基因组学一个新的研究热点。但迄今为止，i-motif的组学研究以及它在植物基因组中的生物学功能等未见详细报道。

 

　　该研究基于特异识别i-motif的iMab抗体，成功发展了iM-IP-seq组学方法，通过免疫沉淀反应并结合二代测序方法，绘制了水稻i-motif分布图谱。发现水稻基因组中，i-motif主要分布于启动子、5'UTR区域。部分i-motif分布于开放染色质区，具有潜在的调控元件功能。

 

　　通过进一步解析DNA甲基化对i-motif结构形成的影响，本研究发现，i-motif的DNA甲基化水平较低，但适度DNA甲基化有利于i-motif稳定性，并且DNA甲基化对i-motif稳定性的影响与胞嘧啶甲基化的程度和位置有关，两者之间表现出一种较为复杂的关系。

　　结合栽培稻亚种、野生稻转座子数据及DNA甲基化数据，本研究发现，活跃的转座子中形成i-motif结构的潜力较高，同时伴随着CG和CHG的低甲基化。这暗示着i-motif与DNA甲基化共同影响转座子的遗传稳定性。

　　该研究提供了一种在全基因组水平鉴定i-motif的组学新方法，将有助于系统研究i-motif的序列特征、表观修饰及其生物学功能，从而为植物基因表达调控提供一种新的研究思路。

 

　　南京农业大学硕士生马星和钟山青年研究员冯逸龙博士为共同第一作者，张文利教授为通讯作者。南京农业大学王秀娥教授、程雪娇副教授以及研究生陶申童、杨莹及史依宁；苏州大学黄健教授；中国科学院亚热带农业生态研究所陈彩艳研究员和研究生李昕以及法国UBFC Dijon分子化学研究所David Monchaud博士等对本研究也作出了重要贡献。该研究得到了国家自然科学基金（32070561，U20A2030）的资助；同时感谢南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室及南京农业大学生物信息学研究中心为本研究提供的支持。