Genoombrede analyse van histonmodificatieverdeling met behulp van de chromatine-immunoprecipitatie-sequencingmethode in Magnaporthe oryzae

Epigenetica is een tak van genetisch onderzoek die verwijst naar de erfelijke verandering van genexpressie zonder de nucleotidesequentie van genen te veranderen. Een toenemend aantal studies heeft aangetoond dat epigenetische regulatie een belangrijke rol speelt bij de groei en ontwikkeling van eukaryote cellen, waaronder chromatine dat genexpressie reguleert en beïnvloedt door het dynamische proces van vouwen en assembleren in structuren van hogere orde^1,2. Chromatineremodellering en covalente histonmodificatie beïnvloeden en reguleren de functie en structuur van chromatine door de variatie van chromatinepolymeren, waardoor de functie van het reguleren van genexpressie^3,4,5,6wordt bereikt. Posttranslatiele modificaties van histon omvatten acetylering, fosforylering, methylatie, monoubiquitinatie, sumylering en ADP ribosylatie^7,8,9. Histon H3K4-methylatie, met name trimethylatie, is in kaart gebracht op transcriptiestartplaatsen waar het wordt geassocieerd met transcriptiereplicatie, recombinatie, reparatie en RNA-verwerking in eukaryoten^10,11.

ChIP-seq-technologie werd geïntroduceerd in 2007 en is de experimentele standaard geworden voor de genoombrede analyse van transcriptionele regulatie en epigenetische mechanismen^12,13. Deze methode is geschikt op genoombrede schaal en voor het verkrijgen van histon- of transcriptiefactorinteractie-informatie, inclusief DNA-segmenten van DNA-bindende eiwitten. Alle DNA-sequenties die zijn gekoppeld aan interessante eiwitten, zullen samen neerslaan als onderdeel van het chromatinecomplex. Sequencingtechnieken van de nieuwe generatie worden ook gebruikt om 36-100 bp DNA te sequencen, die vervolgens worden gematcht met het overeenkomstige doelgenoom.

In fytopathogene schimmels is onlangs onderzoek begonnen om te bestuderen hoe histonmethylatiemodificaties hun doelgenen reguleren in het proces van pathogeniciteit. Sommige eerdere studies bewezen dat de regulatie van histonmethylase-gerelateerde genen voornamelijk wordt weerspiegeld in gen-uitschakeling en katalysering van de productie van secundaire metabolieten (SM). MoSet1 is de H3K4 methylase in M. oryzae. Knock-out van dit gen resulteert in de volledige deletie van H3K4me3 modificatie¹⁴. Vergeleken met de wild-type stam, de expressie van het gen MoCEL7C in de mutant wordt geremd in de CMC-geïnduceerde toestand en in de niet-geïnduceerde toestand (glucose of cellobiose), de expressie van MoCEL7C verhoogd¹⁵. In Fusarium graminearumkan KMT6 de methylatiemodificatie van H3K27me3 katalyseren, de normale ontwikkeling van schimmels reguleren en helpen bij het reguleren van het “cryptische genoom” dat het SM-gencluster^16,17,18,19bevat. In 2013 meldde Connolly dat H3K9- en H3K27-methylatie het pathogene proces van schimmels reguleert via secundaire metabolieten en effectorfactoren die de remming van doelgenen reguleren²⁰. In Aspergillusis de modificatie van histonen H3K4me2 en H3K4me3 gerelateerd aan genactivering en speelt een belangrijke rol bij het beheersen van de chromatineniveauregulatie van SM-genclusters²¹. In M. oryzaeis Tig1 (homoloog aan Tig1 bij gist en zoogdieren) een HADC (histon deacetylase)²². Knock-out van het Tig1-gen leidt tot het volledige verlies van pathogeniciteit en sporenproductievermogen in de nulmutant. Het is gevoeliger voor een peroxygeenomgeving, die geen infectieuze schimmeldraden kan produceren²².

De rijstexplosie veroorzaakt door M. oryzae. is een van de ernstigste rijstziekten in de meeste rijstteeltgebieden ter wereld¹⁹. Vanwege het representatieve infectieproces is M. oryzae vergelijkbaar met het infectieproces van veel belangrijke pathogene schimmels. Omdat het gemakkelijk moleculair genetische operaties kan uitvoeren, is de schimmel een modelorganisme geworden voor het bestuderen van schimmel-plantinteracties²³. Het blokkeren van elke stap van het infectieproces van M. oryzae kan leiden tot een mislukte infectie. De morfologische veranderingen tijdens het infectieproces worden strikt gereguleerd door de gehele genoomfunctie en gentranscriptie. Onder hen spelen epigenetische modificaties zoals histonmethylatie een essentiële rol in de transcriptionele regulatie van functionele genen^24,25. Tot nu toe zijn er echter weinig studies gedaan naar het moleculaire mechanisme van epigenetische modificaties zoals histonmethylatie en histonacetylering in de transcriptie van pathogenesegenen in M. oryzae. Daarom zal de verdere ontwikkeling van het epigenetische regulatiemechanisme van de rijststraalschimmel, terwijl onderzoek wordt gedaan naar het upstream- en downstream-regulerende netwerk van deze pathogene gerelateerde genen, helpen bij het ontwikkelen van strategieën voor het voorkomen en beheersen van rijststralen.

Met de ontwikkeling van functionele genomica zoals ChIP-seq, vooral in de epigenetica, heeft deze high-throughput data-acquisitiemethode het onderzoek naar chromosomen versneld. Met behulp van de ChIP-seq experimentele technologie kan de genoombrede verdeling van histonmethylatie (zoals H3K4me3, H3K27me3, H3K9me3) in M. oryzae en andere filamenteuze schimmels worden geïdentificeerd. Daarom kan deze methode helpen bij het ophelderen van de moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan hoe epigenetische modificaties hun kandidaat-doelgenen reguleren tijdens schimmelpathogenese in plantenpathologie.