编译：秦时明月，编辑：夏甘草、江舜尧。
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导读
组蛋白修饰在水稻的生长发育过程中起着重要的作用。四碳链赖氨酸丁酰化(Kbu)是一种新发现的水稻组蛋白酰化修饰。本研究进行了染色质免疫沉淀测序(Chip-seq)分析，发现组蛋白Kbu主要富集在水稻基因组的基因区，尤其是外显子区域。Kbu组蛋白修饰富集程度与基因表达呈正相关。研究人员还比较了水稻中Kbu与DNase-seq和其他组蛋白修饰的差异。发现60.06%的Kbu富集区与DHS都位于基因间隔区。Kbu与H3K4ac、H3K9ac和H3K23ac几种乙酰化修饰有相似的图谱，表明Kbu修饰是一种活跃的转录信号。组蛋白Kbu和另一种乙酰化同时修饰的基因的表达比只有一种乙酰化的基因显著升高。GO富集分析表明含有组蛋白Kbu的基因可以调节不同水稻品种的多种代谢过程。
原名：Genome-wide Profiling of Histone Lysine Butyrylation Reveals its Role in the Positive Regulation of Gene Transcription in Rice
译名：组蛋白赖氨酸丁酰化的全基因组分析揭示了其在水稻基因转录正调控中的作用
DOI号：10.1186/s12284-019-0342-6本研究取14日龄水稻幼苗的叶片和茎组织为材料提取组蛋白并进行CHIP-DNA分离。通过WB和免疫荧光确定丁酰化蛋白的大小与分布。通过CHIP-seq分析Kbu在水稻中的基因组分布，并利用CHIP-qPCR对Chip-seq结果进行验证。筛选组蛋白Kbu相关的基因，分析修饰富集程度与基因表达量的关系，并对相关基因进行GO功能注释，探究Kbu对水稻生长发育的调控。为了证实Kbu的存在和分布，本研究通过WB和免疫荧光对水稻品种“日本晴”进行分析。免疫荧光观察到丁酰化蛋白明显分布在细胞核和细胞质中（图1a）。核心组蛋白的WB分析表明Kbu信号大约为15kD和10kD，这与组蛋白H3和H4的大小相对应（图1b），初步推断Kbu存在于水稻组蛋白中。接下来分析组蛋白Kbu在水稻中的生物学功能。通过CHIP-seq分析Kbu在水稻中的基因组分布，获得21202个峰作为组蛋白Kbu在水稻幼苗中的富集reads（表1）。从12条染色体上的每条染色体上随机选择一个峰位和一个非峰位进行CHIP-qPCR验证。qPCR2值>1的峰代表Kbu富集，12个中有9个峰显示Kbu富集（表2）。只有两个非峰显示了Kbu的富集。Chip-qPCR结果与Chip-seq文库的分析结果基本一致。
图1 水稻KBU修饰。a免疫荧光检测两周龄水稻根细胞胞核和胞浆中赖氨酸丁酰化反应。b14日龄水稻幼苗叶中组蛋白的Western blot分析。
根据CHIP-seq结果分析发现组蛋白Kbu富集区在基因组分布可分为四类。峰覆盖了大部分的基因区(76.14%)，尤其是外显子区域(50.41%)，只有25.73%在内含子区域（图2a）。11.93%和11.94%Kbu区的峰分别位于启动子(TSS上游1kb)和基因间隔区。外显子中的大部分Kbu峰映射到编码序列和5′-UTR区，只有2.54%位于3'-UTR。日本晴与Dongjin有84.70%（21202）共有峰（表3）。在水稻39045个非TE基因中，有14808个基因(37.93%)由组蛋白Kbu标记，其中80.93%(11,984)的FPKM≥1。比如Kbu CHIP-seq的峰位于表达基因LOC_Os02g14720，而不是不表达的基因LOC_Os02g14700上（图2b）。组蛋白Kbu位点主要富集在表达的基因中。高表达的基因与较高的组蛋白Kbu密度相关（图2c）。在Dongjin中，在19355个基因中鉴定出27665个峰值，其中有14151个基因(73.11%)在Dongjin中表达，而在日本晴中有11984个基因表达。有9,961个基因在两个品种中都表达（表3）。这些结果表明，组蛋白Kbu与不同水稻品种的基因表达相关性较高。
图2组蛋白Kbu在水稻中的基因组分布。a组蛋白Kbu在水稻基因组中的全基因组分布。b ChR2：8,100,000-8,160,000区域的Kbu位点、RNA-Seq reads和基因位点的定位。c差异表达基因周围Kbu密度分布。
3 组蛋白Kbu、其他组蛋白修饰和DNase超敏感（DH）位点的同源性组蛋白丁酰化类似于其他典型的组蛋白修饰，如H3K4ac，H3K9ac和H3K36me3一样，可以促进水稻中基因的表达。本文定位了12个组蛋白修饰，并分析了组蛋白Kbu与这些组蛋白修饰的一致性（图3）。研究发现组蛋白Kbu通常富集在与活性赖氨酸标记的共有区域。统计分析发现组蛋白Kbu与H3K23ac(84.27%)、H3K4ac(81.41%)、H3K9ac(80.32%)和H3K4ac(79.20%)重叠比例较高（图4和5）。研究还发现组蛋白Kbu不位于与H3K9me1(0.17%)、H3K9me3(3.39%)和H3K27me3(7.79%)等抑制标记相关的区域，说明组蛋白Kbu是一种转录激活修饰。23.87%的组蛋白Kbu修饰富集在水稻的启动子和基因间区。这些位点在开放染色质中含有顺式调控元件，接下来研究组蛋白Kbu和DNase超敏位点(DHS)之间的关系。在水稻基因组中，一半以上的组蛋白Kbu峰与DHS重叠，60.06%的基因间区峰与DHS共定位（图4b和5）。结果表明，组蛋白Kbu可以作为一种活性标记招募转录调节因子促进基因转录。
图3水稻基因组中的基因转录和组蛋白Kbu的基因组分布及其他修饰。
图4组蛋白Kbu富集区与其他12个组蛋白修饰富集区重叠的百分比。
图5组蛋白Kbu、H3K9ac、H3K27me3和DHS在基因区和基因间区的热图。组蛋白Kbu可以促进基因表达，并且与其他组蛋白乙酰化修饰位置相近。本研究探究了组蛋白Kbu和乙酰化修饰的基因是否显示出更高水平的基因表达。将基因分为三类：仅带有Kbu或其他修饰的基因，同时带有Kbu和其他9种组蛋白修饰的基因（图6）。结果表明，与不含组蛋白Kbu的基因相比，含有组蛋白Kbu的基因表达量更高。同时带有组蛋白Kbu和另一个乙酰化的基因表达也显著增加，说明组蛋白Kbu参与了转录调控，与其他组蛋白乙酰化协同促进水稻基因表达。
为了初步了解与组蛋白Kbu相关的基因的可能功能，从14808个Kbu相关基因中鉴定出1480个组蛋白Kbu显著富集的基因，并对它们进行了GO分析。GO富集分析表明，这些基因参与了许多重要的生物学过程，如细胞和生物过程的调控、蛋白质修饰转运、转录、信号转导和基因表达等。其中细胞组分中的膜相关注释到的基因数最多（图7）。此外，这些基因还参与了许多与磷酸化相关的分子功能，表明组蛋白Kbu可能参与了涉及磷酸化的表观遗传调控。与Dongjin Kbu相关基因比较，两品种相似性比较高，但仍有各自特异性。进一步对日本晴和Dongjin的Kbu相关基因进行了GO分析（表3）。日本晴含有组蛋白kbu的基因主要富集在翻译、运输和定位过程中，而Dongjin组蛋白修饰的基因主要参与转录、结合过程和胁迫反应。无论哪个品种，这些基因都调节多种代谢过程，说明Kbu对水稻的生长发育具有重要意义。
本研究通过CHIP-seq和WB确定Kbu主要富集在水稻基因组的基因区，而且组蛋白Kbu修饰富集程度影响基因的表达水平。比较Kbu修饰与其他组蛋白修饰和DNase超敏感（DH）位点的同源性，组蛋白Kbu可以作为一种活性标记招募转录调节因子促进基因转录。组蛋白Kbu参与转录调控，与其他组蛋白乙酰化协同促进水稻基因表达。不同品种的组蛋白Kbu相关基因都调节多种代谢过程，表明Kbu对水稻的生长发育具有重要意义。本研究通过生物实验证实了水稻中Kbu的存在和分布。研究发现赖氨酸丁酰化修饰是一种转录激活修饰，像组蛋白乙酰化一样促进基因表达，为进一步研究组蛋白Kbu和其他植物表观遗传修饰提供资源。
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