喜报：易基因组蛋白ChIP-seq研究成果见刊《Cell Reports》

2023年02月10日，沈阳农业大学植物保护学院博士研究生姚亚林为第一作者、栾军波教授为论文通讯作者在《Cell Reports》杂志以“A bacteriocyte symbiont determines whitefly sex ratio by regulating mitochondrial function”为题发表研究论文。该研究通过ChIP-seq等实验揭示了烟粉虱（whitefly Bemisia tabaci）含菌细胞共生菌Hamiltonella通过调控卵巢线粒体功能决定后代性比的共生菌调控宿主生殖的表遗传机制。深圳易基因科技为本研究提供ChIP-seq测序分析服务。

标题：A bacteriocyte symbiont determines whitefly sex ratio by regulating mitochondrial function 烟粉虱含菌细胞共生菌Hamiltonella通过调控卵巢线粒体功能决定后代性比

时间：2023-02-10

期刊：Cell Reports

影响因子：IF 9.995

技术平台：ChIP-seq等

摘要：

共生菌影响宿主繁殖，但潜在的分子机制尚不清楚。本研究发现烟粉虱含菌细胞共生菌Hamiltonella合成的叶酸通过介导组蛋白甲基化修饰调控烟粉虱卵巢线粒体功能，从而影响烟粉虱受精和后代性比，而叶酸补充会恢复后代性比。Hamiltonella缺失或基因沉默使组蛋白H3赖氨酸9三甲基化（H3K9me3）水平发生变化，其通过叶酸补充而恢复。H3K9me3的全基因组染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）分析表明共生菌缺失导致烟粉虱中的线粒体功能受抑制。Hamiltonella缺失影响了烟粉虱卵巢的线粒体质量，抑制卵巢线粒体功能导致白色性比例异常。这些发现表明，共生菌衍生的叶酸调控宿主组蛋白甲基化修饰，从而影响卵巢线粒体功能，最终决定宿主性比。研究解析了共生菌——线粒体互作在调控宿主性比中的重要作用，揭示了共生菌调控宿主生殖的新机制。研究成果拓展了对宿主与共生菌互作机制的理解，为粉虱的精准防控提供了新靶标。

图形摘要：烟粉虱含菌细胞共生菌Hamiltonella通过调控卵巢线粒体功能决定后代性比

要点：

通过消除含菌细胞共生菌而导致的叶酸缺失会改变烟粉虱的后代性比

共生菌缺失激活组蛋白甲基化修饰H3K9me3水平

H3K9me3修饰影响烟粉虱卵巢线粒体功能

抑制卵巢线粒体功能抑制受精，影响宿主后代性比

材料和方法：

关键结果：

（1）Hamiltonella缺失影响粉虱中的组蛋白H3甲基化谱，叶酸调控H3K9me3修饰

叶酸是将半胱氨酸甲基化为Met反应中的甲基供体，然后产生的Met转化为组蛋白甲基化所需的SAM。因此叶酸可能会影响烟粉虱中的组蛋白甲基化。为了研究这一点，作者通过用抗生素混合物处理烟粉虱成虫，特异性消除Hamiltonella，并使用western blot比较了感染Hamiltonellas的烟粉虱和Hamiltonella缺失烟粉虱之间甲基化组蛋白H3赖氨酸位点的丰度，即H3K4me1-3、H3K9me1-3、H1K27me1-3、H3K36me1-3和H3K79me1-3。在组蛋白3赖氨酸甲基化标记物中，与+HBt烟粉虱相比，H3K9me3、H3K36me3和H3K79me2在-HBt烟粉虱中具有显著诱导的水平（图1A）。H3K36me3为果蝇剂量补偿X染色体上H4K16高乙酰化所必需。而H3K79me2在昆虫中的功能尚不清楚。尽管不能排除H3K36me3和H3K79me2可能在烟粉虱中发挥意想不到的作用，但这些标记的功能可能与烟粉虱繁殖无关。H3K9me3影响受精后的基因转录、胚胎发育和细胞命运。因此本研究中关注H3K9me3。为验证叶酸在烟粉虱H3K9me3水平变化中的作用，将+HBt和–HBt成体烟粉虱以及注射dsGFP和dsphoAB的烟粉虱以含叶酸的人工饲料喂养。叶酸的补充使–HBt烟粉虱中H3K9me3的水平恢复到+HBt烟粉虱中的水平，且补充叶酸不会改变+HBt烟粉虱中H3K9me3水平与+HBt烟粉虱中的水平（图1B）。同样补充叶酸使注射dsphoAB烟粉虱体内H3K9me3水平恢复至注射dsGFP烟粉虱中的水平；注射dsGFP烟粉虱相比，补充叶酸不会改变注射dsGFP烟粉虱中的H3K9me3水平（图1C）。这些数据表明，叶酸负责调控烟粉虱中的H3K9me3信号。

图1：Hamiltonella缺失对烟粉虱组蛋白甲基化的影响

为鉴定与H3K9me3相关的基因，使用H3K9me3抗体进行染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq），85.3%–88.1%的clean后reads被比对到烟粉虱MEAM1基因组。Calling peaks后共鉴定出20603个peaks，平均长度为429.7个碱基对（bp）。其中10.9%peaks位于基因的外显子区域，7.3%peaks位于基因的UTR，55.7%peaks位于基因的内含子区域，26.1%peaks位于基因的下游和远端基因间区域内。与+HBt烟粉虱相比，-HBt烟粉虱中共有9722个peaks显著上调，而10881个peaks显著下调。进一步发现与+HBt烟粉虱相比，-HBt烟粉虱中3145和3399个基因分别与H3K9me3 peaks显著上调和下调相关。KEGG通路富集分析显示，与+HBt烟粉虱相比，-HBt烟粉虱中与差异H3K9me3 peaks相关的基因富集了五个通路（24个基因）（图1D）。在五种富集的KEGG通路中，cAMP信号通路和AMPK信号通路（包括11种基因；图1D）调控线粒体功能的各个方面。这些数据表明Hamiltonella可能影响粉虱的线粒体功能。线粒体功能包括呼吸和ATP生成、线粒体动力学（融合、分裂、线粒体自噬和分布）等。与Hamiltonella感染的烟粉虱相比，Hamiltonella缺失烟粉虱中与H3K9me3相关的32个基因参与线粒体功能。H3K9me3的ChIP-seq分析表明Hamiltonella缺失导致烟粉虱中的线粒体功能障碍。烟粉虱是单倍体昆虫；受精卵产生雌性成虫，未受精卵发育成雄性成虫。由于雄性的Hamiltonella状态对后代性比没有显著影响，而Hamiltonella缺失会降低烟粉虱的受精率，因此Hamiltonella缺失可能通过影响粉虱卵巢线粒体功能来抑制卵子受精。

表1：+HBt和-HBt烟粉虱H3K9me3 ChIP-seq的质控统计

表2：+HBt和-HBt烟粉虱H3K9me3 ChIP seq峰值统计

表3：+HBt和-HBt烟粉虱H3K9me3 ChIP seq峰值分布统计

（2）Hamiltonella缺失导致粉虱卵巢线粒体功能障碍

图2：Hamiltonella缺失导致粉虱卵巢线粒体功能障碍

（3）补充叶酸会恢复Hamiltonella缺失烟粉虱卵巢的线粒体功能

图3：补充叶酸可恢复烟粉虱卵巢线粒体功能

（4）Mfn2沉默抑制烟粉虱卵巢线粒体功能、抑制受精并降低雌性后代的百分比

关于染色质免疫共沉淀测序 (ChIP-seq)

染色质免疫共沉淀（Chromatin Immunoprecipitation,ChIP），是研究体内蛋白质与DNA相互作用的经典方法。将ChIP与高通量测序技术相结合的ChIP-Seq技术，可在全基因组范围对特定蛋白的DNA结合位点进行高效而准确的筛选与鉴定，为研究的深入开展打下基础。

DNA与蛋白质的相互作用与基因的转录、染色质的空间构型和构象密切相关。运用组蛋白特定修饰的特异性抗体或DNA结合蛋白或转录因子特异性抗体富集与其结合的DNA片段，并进行纯化和文库构建，然后进行高通量测序，通过将获得的数据与参考基因组精确比对，研究人员可获得全基因组范围内某种修饰类型的特定组蛋白或转录因子与基因组DNA序列之间的关系，也可对多个样品进行差异比较。

应用方向：

ChIP 用来在空间上和时间上不同蛋白沿基因或基因组定位

转录因子和辅因子结合作用

复制因子和 DNA 修复蛋白

组蛋白修饰和变异组蛋白

技术优势：

物种范围广：细胞、动物组织、植物组织、细菌微生物多物种富集经验；

微量建库：只需5ng以上免疫沉淀后的DNA，即可展开测序分析；

方案灵活：根据不同的项目需求，选择不同的组蛋白修饰特异性抗体。

技术路线：

有ChIP-seq测序或组学研究需要的老师可联系易基因。

参考文献：

Yao YL, Ma XY, Wang TY, Yan JY, Chen NF, Hong JS, Liu BQ, Xu ZQ, Zhang N, Lv C, Sun X, Luan JB. A bacteriocyte symbiont determines whitefly sex ratio by regulating mitochondrial function. Cell Rep. 2023 Feb 10;42(2):112102.