非生物胁迫作为每个生态系统的自然组成部分，以多种方式影响着生物体，例如强烈的阳光、温度、干旱等等。为了限制可测或不可测的环境所带来的影响，阐明动物、植物和微生物应对非生物压力源的抗性/耐受性的遗传机制是具有研究和应用价值的。
三维基因组结构在真核生物的基因转录调控和多种生物过程中有着不可忽视的作用。其中，A/B compartment与活性和非活性基因表达相关，3D结构基本单元TAD对于转录调控和复制是重要的 ，增强子-启动子等染色质环可以直接参与转录调控。因此应用表观多组学方法分析环境反应是非常有效的。具体研究思路是明确非生物胁迫下染色质结构特征以及顺式调控元件的存在和开放性，综合基因表达关系以及进一步验证实验，确认介导胁迫反应的关键目标以及它们的调控网络。下面就三篇应用文章，来看一下应答非生物胁迫的表观多组学研究思路。
图1 多个水平的基因调控分析
研究一
北极基因渗入和染色质调控促进鸟类捕食者在青藏高原（低温、低氧、强紫外线）的快速定居
图2 文章信息
文章题目：Arctic introgression and chromatin regulation facilitated rapid Qinghai-Tibet Plateau colonization by an avian predator
发表期刊：Nature Communications（IF：14.919）
发表时间：2022年10月
研究材料：猎隼血液
组学方法：PacBio、Illumina、Bionano、Hi-C、ATAC-seq、Iso-seq，RNA-seq和ChIP-seq公共数据
研究概述：
青藏高原（QTP）拥有和北极一样寒冷的气候，同时也呈现出独特的低氧浓度和强烈的紫外线（UV）辐射。青藏高原动物已经适应了这些极端条件，但它们在适应寒冷的过程中是否从北极获得了遗传变异，以及非编码区的基因组突变如何在低氧和强烈的紫外线环境下调节基因表达，在很大程度上仍是未知数。
该研究通过PacBio+Illumina+Bionano+Hi-C的方案组装了一个高质量的猎隼基因组，并对整个欧亚大陆的群体进行全基因组重测序，发现在末次盛冰时期，东部猎隼雄性倾向于与北极矛隼的雌性杂交，这赋予了东部猎隼与较大体型和脂肪代谢变化相关的等位基因，使其具有QTP寒冷适应性。此外，结合比较三维基因组和功能基因组学分析，确定低氧和紫外线适应主要和基因组非编码区突变参与的调控有关，这主要是顺式调控元件上的突变对高原缺氧反应（增强染色质相互作用）和紫外线保护（提高黑色素合成）的影响。其中在低氧适应方面，该研究通过基因组数据用XP-EHH分析确定了和氧运输相关的正选择基因（图3a）。再结合ATAC-seq和Hi-C数据，确定含有SNP相关顺式调控元件及其互作的血红蛋白基因（图3a），以及它们所在的基因组区域在猎隼中具有保守的染色质结构（图3b），并且在QTP猎隼中存在更强的互作关系，互作强度和环境选择性压力正相关（图3c-e）。最后，通过转录组分析和血红蛋白浓度检测，明确了高原猎隼基因组中存在一段受选择最强的区域折叠成TAD，该区段内的调控元件与血红蛋白基因间的互作增强（图3f），促进血红蛋白表达量显著升高，响应低氧压力。
图3 QTP猎隼响应低氧压力的局部3D基因组结构
研究二
哺乳动物细胞对慢性热刺激所反应的三维基因组重构
图4 文章信息
文章题目：Cell cycle arrest explains the observed bulk 3D genomic alterations in response to long-term heat shock in K562 cells
发表期刊：Genome Research（IF：9.438）
发表时间：2022年7月
研究材料：K562细胞
组学技术：Hi-C、ATAC-seq
研究概述：
热刺激是一种常见的环境刺激，在哺乳动物细胞中细胞核内染色质空间构象对它的反应仍有争议。针对动物细胞热刺激反应的研究模式有急性刺激（SHS，刺激时长普遍在1小时内）和慢性刺激（LHS），而急性适应和慢性适应可能具有不同的基因调控网络重构形式。这种差异在很大程度上仍有待被探究。
该研究以常见的人类K562细胞系为实验材料，使用Hi-C和ATAC-seq等技术测定了其在正常温度（NHS）、急性和慢性热刺激下的染色质空间构象和开放性图谱。研究在此报告了人K562细胞的急性和慢性热刺激中，染色质构象(compartment、TAD和loop)和染色质开放性的反应不同。研究发现，K562细胞中的染色质构象在应对急性热刺激时基本稳定，而在慢性热处理后则表现出明显的特征性变化，整个过程中染色质开放性。已知G1/S和G2/M时期细胞的染色质构象存在显著差异，进一步分析FACS筛选的G1/S和G2/M细胞，结合上述结果评估热刺激诱导的细胞周期停滞对染色质构象的可能影响，发现热刺激反应中染色质构象的变化可能主要源于M时期细胞的累积。最后，研究以解卷积运算证明了此细胞周期阻滞引起的细胞组份改变足以解释热刺激反应过程中染色质构象的改变（图5）。总之，该研究不仅解释了基因调控对即时危机和环境适应的反应机制，还强调了研究热刺激影响染色质结构时细胞周期阻滞的重要性。
图5 热刺激反应中细胞染色质空间构象重构且与细胞周期阻滞有关
研究三
高温胁迫期间水稻三维基因组的重构
图6 文章信息
文章题目：Reorganization of the 3D chromatin architecture of rice genomes during heat stress
发表期刊：BMC biology（IF：7.364）
发表时间：2021年3月
研究材料：籼稻“93-11”和粳稻“日本晴”
组学技术：Hi-C、ATAC-seq、RNA-seq
研究概述：
基因组的三维空间结构在多种生物学过程中对染色质的开放性和基因表达起着重要作用，并且据报道在应对环境压力时发生了改变。然而，人们对作物在环境变化过程中空间基因组结构的功能变化知之甚少。
在此，该研究对两个具有重要农艺价值的水稻品种“日本晴”(粳稻)和“93-11”(籼稻) 进行了Hi-C、ATAC-seq和RNA-seq实验和数据分析，以报告热胁迫（HS）期间核动力学的综合情况。结果表明，热应激影响了染色体结构的不同水平，包括A/B compartment转换、TAD大小增加和短距离相互作用的丢失（图7）。并且染色质结构变化与染色质开放性和基因表达变化有关。比较分析表明，93-11中发生了更多的基因表达和染色质开放性动态变化，包括与HS相关的基因，这与观察到的该栽培品种具有更高的HS耐受性相一致。该研究揭示了三维染色质结构视角有助于理解农作物对热胁迫的转录调控。
图7 “日本晴”(粳稻)和“93-11”(籼稻)在热应激下的三维结构动态
小 结
从上面的例子可以看出，在解析动植物应答非生物压力源的抗性/耐受性机制时，表观多组学可以从染色质结构特征以及目标基因的调控元件出发，结合基因组和转录组等信息，深入探究环境反应下的基因结构、表达和功能，解答适应性相关的生长特性和内在调节机制。
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参考文献：
1.Akmakjian G Z, Bailey-Serres J. Gene regulatory circuitry of plant–environment interactions: scaling from cells to the field[J]. Current Opinion in Plant Biology, 2022, 65: 102122.
2.Hu L, Long J, Lin Y, et al. Arctic introgression and chromatin regulation facilitated rapid Qinghai-Tibet Plateau colonization by an avian predator[J]. Nature communications, 2022, 13(1): 1-18.
3.Xu B, Gao X, Li X, et al. Cell cycle arrest explains the observed bulk 3D genomic alterations in response to long-term heat shock in K562 cells[J]. Genome Research, 2022, 32(7): 1285-1297.
4.Liang Z, Zhang Q, Ji C, et al. Reorganization of the 3D chromatin architecture of rice genomes during heat stress[J]. BMC biology, 2021, 19(1): 1-10.
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