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5S 核糖体 RNA 基因的遗传和表观遗传变异揭示了拟南芥基因组的动态变化。

Genetic and epigenetic variation in 5S ribosomal RNA genes reveals genome dynamics in Arabidopsis thaliana.

机构信息

GReD, Université Clermont Auvergne, CNRS, INSERM, BP 38, 63001 Clermont-Ferrand, France.

Gregor Mendel Institute (GMI), Austrian Academy of Sciences, Vienna BioCenter (VBC), Dr. Bohr-Gasse 3, 1030 Vienna, Austria.

出版信息

Nucleic Acids Res. 2018 Apr 6;46(6):3019-3033. doi: 10.1093/nar/gky163.

Abstract

Organized in tandem repeat arrays in most eukaryotes and transcribed by RNA polymerase III, expression of 5S rRNA genes is under epigenetic control. To unveil mechanisms of transcriptional regulation, we obtained here in depth sequence information on 5S rRNA genes from the Arabidopsis thaliana genome and identified differential enrichment in epigenetic marks between the three 5S rDNA loci situated on chromosomes 3, 4 and 5. We reveal the chromosome 5 locus as the major source of an atypical, long 5S rRNA transcript characteristic of an open chromatin structure. 5S rRNA genes from this locus translocated in the Landsberg erecta ecotype as shown by linkage mapping and chromosome-specific FISH analysis. These variations in 5S rDNA locus organization cause changes in the spatial arrangement of chromosomes in the nucleus. Furthermore, 5S rRNA gene arrangements are highly dynamic with alterations in chromosomal positions through translocations in certain mutants of the RNA-directed DNA methylation pathway and important copy number variations among ecotypes. Finally, variations in 5S rRNA gene sequence, chromatin organization and transcripts indicate differential usage of 5S rDNA loci in distinct ecotypes. We suggest that both the usage of existing and new 5S rDNA loci resulting from translocations may impact neighboring chromatin organization.

摘要

大多数真核生物以串联重复阵列的形式组织,并由 RNA 聚合酶 III 转录,5S rRNA 基因的表达受表观遗传控制。为了揭示转录调控的机制,我们从拟南芥基因组中获得了 5S rRNA 基因的深度序列信息,并确定了位于染色体 3、4 和 5 上的三个 5S rDNA 位点之间在表观遗传标记上的差异富集。我们揭示了染色体 5 位点是典型的长 5S rRNA 转录本的主要来源,该转录本具有开放染色质结构的特征。通过连锁图谱和染色体特异性 FISH 分析表明,来自该位点的 5S rRNA 基因在 Landsberg erecta 生态型中易位。这些 5S rDNA 位点组织的变化导致核内染色体的空间排列发生变化。此外,通过 RNA 指导的 DNA 甲基化途径的某些突变体中的染色体位置变化以及生态型之间重要的拷贝数变异,5S rRNA 基因的排列具有高度的动态性。最后,5S rRNA 基因序列、染色质组织和转录本的变化表明,不同生态型中 5S rDNA 位点的使用存在差异。我们认为,易位导致的现有和新的 5S rDNA 位点的使用都可能影响邻近染色质的组织。

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