华中农大近期科学研究进展

揭示顺式和反式因子在玉米雌雄穗间的差异调控

近日，国际学术期刊Genome Biology在线报道了华中农大杨芳教授和李兴旺教授团队合作完成的题为“3D genome architecture coordinates trans and cis regulation of differentially expressed ear and tassel genes in maize”的研究论文。文章描绘了玉米发育早期雌穗和雄穗原基的高分辨率全基因组三维互作图谱、开放染色质图谱、组蛋白修饰图谱、DNA甲基化图谱和转录组图谱，并揭示了顺式和反式因子及其在三维基因组层面对玉米雌穗和雄穗间基因差异表达的调控，为表观遗传在玉米雌穗和雄穗身份性别的分化差异调控上提供了一定的理论基础。

玉米作为一种重要的粮食作物，其雌穗和雄穗的正常发育对玉米生殖和产量至关重要。雌穗和雄穗有着极为相似的起始发育进程，但后期会逐渐分化成不同的形态和性别。前人研究克隆了一些影响雌穗和雄穗发育形态及性别的关键基因，但基因组层面的顺式和反式调控因子及三维染色质互作对此分化进程的调控尚不清楚。

玉米雌、雄穗中开放染色质区域和表观基因组特征的鉴定

研究者首先利用ATAC-seq技术在2-4mm的玉米雌穗和雄穗中分别鉴定到了56,055和52,633个开放染色质区域（OCRs），结合3种组蛋白ChIP-seq，Bisulfite-seq和RNA-seq数据集详细阐述了这些 OCRs附近的多种表观特征及其对基因表达的影响，检测到~50%的差异表达基因发生了至少一种表观特征的改变，其中包含一些已知的穗发育和性别决定基因，如TB1，GT1，SK1，TS1等。利用已公开的玉米转录因子ChIP-seq数据分析发现转录因子倾向于结合于OCRs，其结合强度与OCRs的开放程度显著正相关。研究中鉴定到的雌、雄穗间差异表达转录因子在差异表达基因附近OCRs上的结合，揭示了潜在的组织间差异调控途径。

同时研究者还利用高效的in situ DLO Hi-C方法构建了雌穗和雄穗的高分辨率全基因组三维互作图谱，并鉴定到了大量的染色质交互（loops），其中包含许多基因远端OCRs (dOCRs)和基因的交互，包括TB1，RAP2.7，BX1基因与其已知的远距离调控位点，同时也检测到一些关键穗发育基因和dOCRs的交互，暗示了远端调控元件(distal CRE)与基因间的交互在穗发育过程中的重要调控作用。研究者还发现dOCRs的活性强弱与雌、雄穗间基因表达差异相关，基因表达受其互作dOCRs招募的转录因子协同调控，并构建了经典驯化基因TB1在雌穗和雄穗中差异表达调控模型，为阐明TB1调控玉米株型的分子机制提供了更深入的理解。最后，作者发现大量已知雌穗和雄穗农艺性状相关的基因间区SNPs与基因形成染色质交互，可能参与调控靶基因表达，为解析基因间区QTL位点的作用机制提供了依据。

华中农业大学博士研究生孙永浩和硕士研究生董亮为文章共同第一作者，杨芳教授和李兴旺教授为通讯作者，华中农业大学李国亮教授等参与了该工作。

在动物体细胞重编程（克隆）机制研究取得新进展

近日，华中农大动物科学技术学院、动物医学院苗义良团队与清华大学颉伟团队合作在Molecular Cell上发表了题为“Analysis of genome architecture during SCNT reveals a role of cohesin in impeding minor ZGA”的研究论文，揭示了核移植胚胎发育过程中染色质三维结构的动态重编程过程以及结构蛋白cohesin参与抑制胚胎基因组激活（ZGA）的作用。

动物体细胞核移植（即动物克隆）是指将体细胞的核移入去核卵母细胞中，使其发生重编程并发育为新的胚胎的技术。最终，这个胚胎能发育为动物个体。这是唯一一种能将终端分化的体细胞转变成为具有全能性胚胎的技术，然而该技术存在效率低、克隆动物出生率低等问题。

体细胞核移植早期胚胎的染色质三维结构图

近年来，在分子水平上对克隆胚胎发育过程中存在的重编程障碍作了大量研究，并使用了多种方法来提高克隆胚胎发育率。随着染色体构象捕获技术与高通量测序技术（Hi-C）等三维基因组学技术的快速发展，这些技术揭示了许多重要生物学事件中的染色质三维结构的动态变化过程。

在小鼠早期胚胎发育过程中，研究人员利用优化的微量细胞全基因组染色质构象捕获技术（sisHi-C）发现了染色质三维结构随着胚胎发育的进行而逐步建立巩固的过程，然而，对于小鼠核移植早期胚胎发育过程中的染色质三维结构的动态变化却了解甚少。

在本研究中，通过对核移植胚胎采样并进行sisHi-C测序，绘制了小鼠核移植早期胚胎发育过程中的染色质三维结构动态变化图谱。结果显示：在体细胞被注入去核卵母细胞后，体细胞的染色质三维结构被消解并出现了类中期样结构。这是由于卵胞质中存在大量的促成熟因子促使体细胞核出现染色体凝集现象。

此外，与受精胚胎相比，克隆胚胎在激活后原核时期的TAD结构要强于受精胚胎，并且在二细胞时期TAD结构减弱。团队人员猜测原核时期的强TAD结构可能是阻碍核移植胚胎发育的原因之一。针对这一猜测，将体细胞的结构蛋白（cohesin）利用植物激素诱导降解系统（AID）进行短暂预敲除，发现其TAD结构显著减弱。

随后，将cohesin预敲除后的体细胞进行核移植发现可以显著提高克隆囊胚率。通过对这些胚胎的进一步组学分析发现，尽管cohesion预敲除后克隆原核时期胚胎的TAD结构无显著变化，但克隆二细胞时期的minor ZGA基因表达却显著上调。此外，还发现cohesin预敲除后的体细胞的minor ZGA的表达及对应的H3K27ac修饰都显著上调。这些现象表明了cohesin预敲除后使得体细胞染色质变得更松散从而促进了核移植早期胚胎的染色质结构重编程。上述结果对于研究体细胞重编程机制和提高动物克隆效率及应用具有重要的意义。

华中农大动科动医学院博士研究生吴丹雅和清华大学张珂、王瑶和郑辉为论文共同第一作者，我校苗义良教授和清华大学颉伟教授为论文通讯作者。

在中子星结构与高密物质物态研究中获进展

近日，我校理学院副教授魏薇在中子星结构与高密物质物态研究方面取得进展，相关成果以“Multiple configurations of neutron stars containing quark matter”为题发表在我国物理学期刊 “Chinese Physics C”。

研究揭示了夸克物质在中子星内的可能相变途径，构造了多种混杂星结构模型，并提出以NICER探测器的观测精度以及GW170817引力波信号给出潮汐形变量限制，区分不同的混杂星结构难度较大。该研究对于理解夸克物质在中子星内出现的可能方式很有意义。

中子-中子2f 混合相-3f 夸克混杂星内部构造

中子星是由超密核物质构成的致密天体，是天文学极其重要的研究领域之一，而研究中子星的原因之一就是理解极端密度下物质之间的强相互作用以及物质物态与性质，在此密度范围，中子星内极有可能出现夸克等新物态相。目前从物理学第一原理出发，核子物质退禁闭为夸克物质的具体过程还无法准确描述，一般采用夸克及核子物质模型，利用一阶相变理论构造如Gibbs、Maxwell等不同的相变过程。该文章讨论了不同模型参数下，可能出现的不同退禁闭相变途径：核子退禁闭为两味夸克物质（hadron to 2f）；核子退禁闭为三味夸克物质（hadron to 3f）；以及可能出现的核子先退禁闭为两味夸克，再相变为三味夸克的依次相变过程(hadron to 2f to 3f)。

文章通过选取恰当的核子及夸克物质状态方程，如核子的DBHF model，夸克物质的vBag model，采用Maxwell 和Gibbs 两种构造方法，构造不同的相变范围和混合相，给出多种不同的中子星结构：纯中子中子星；中子-中子2f 混合相-2f夸克混杂星；中子-中子3f 混合相-3f 夸克混杂星；中子-中子2f3f 混合相-3f 夸克混杂星；中子-中子2f 混合相-3f 夸克混杂星。

结合现有最大质量观测、NICER探测器最新的中子星质量半径观测数据以及GW170817引力波信号给出的中子星潮汐形变量，文章发现所有可能混杂星模型均符合NICER质量半径观测以及GW170817观测限制，以NICER的观测精度以及GW170817给出潮汐形变量限制，区分不同的混杂星结构难度较大。

文章还提出含夸克物质中子星内的非径向振荡模式（如g-modes和f-modes）相比于纯中子星将发生明显变化，如果这些变化通过双中子星并和过程的潮汐动力学效应，在引力波辐射信号中留下印迹，则可能被未来的引力波探测器所探测到，成为探测中子星内部夸克物质信号的有利证据。

论文第一作者和通讯作者均为魏薇，其他作者Ze-Han Bao(鲍泽韩)、Chong Zhang(张翀)、Chang Gao(高畅)和 Wei-Ru Fan(樊玮茹) 主要为华中农大信息与计算科学专业16级和17级本科生，华中农大为第一完成单位。

在牛支原体致病机制研究领域获新进展

近日，国际学术期刊PLoS Pathogens在线发表华中农大动物科学技术学院、动物医学院牛病研究团队题为“An emerging role for cyclic dinucleotide phosphodiesterase and nanoRNase activities in Mycoplasma bovis: Securing survival in cell culture”的研究论文。研究结果对深入阐明支原体在宿主细胞环境中的代谢生存机制和致病机制具有重要意义。

支原体是一类引起人和动物致病的重要病原微生物，但同时是最简单的自我复制生物体，没有细胞壁，基因组小，代谢机制不完善。为了克服自身限制，需要利用宿主细胞和环境中营养物质维持生存，并发挥致病作用。然而由于支原体密码子偏爱性、大部分基因为未知基因、遗传操作工具少、小动物模型缺乏等原因，其代谢和致病机制虽然一直是医学和兽医领域关注的热点，但研究进展缓慢。

牛病研究团队和法国农业科学研究院Christine Citti团队合作，利用转座子构建了牛支原体突变体文库，利用胎牛肺上皮细胞与突变体文库共培养生长模型，筛选生长缺陷表型突变体，发现了三种DHH超家族磷酸二酯酶是牛支原体在细胞共培养条件下生长的必需基因。三种酶对应的基因分别为：Mbov_0328、Mbov_0327和Mbov_0276，编码蛋白参与环二核苷酸和超小片段RNA的降解，一方面降解产物单核苷（酸）可为牛支原体在细胞共培养条件下提供营养物质，以保证嘌呤和嘧啶的循环，支持牛支原体的存活；另一方面可维持第二信使—环二核苷酸的浓度稳定。

该研究对深入阐明支原体在宿主细胞环境中的代谢生存机制和致病机制具有重要意义，同时也为阐明支原体中DHH磷酸二酯酶的生物活性多样性机制和作为新型抗菌素候选靶点提供了理论依据。

研究由动物科学技术学院动物医学院郭爱珍教授带领的牛病研究团队和法国农业科学研究院Christine Citti团队合作完成，动科动医学院博士研究生朱习芳为论文第一作者，郭爱珍教授为论文通讯作者。

由于篇幅所限，今天所分享的仅为近期华中农业大学科学研究成果的一部分。更多科研动态，欢迎点击文末“阅读原文”，浏览华中农业大学南湖新闻网科学研究专题进一步了解。

供稿 | 孙永浩吴丹雅鲍泽韩郝智瑜

编辑 | 匡敏

校对 | 刘涛