Perspectivas Circadianas: ChIP-seq e ATAC-seq Revelam a Dinâmica da Expressão Génica em Plantas de Arroz

Para se sincronizarem com as alterações rítmicas no ambiente causadas pela rotação da Terra, as plantas superiores desenvolveram um mecanismo interno de contagem do tempo conhecido como relógio biológico. Este relógio biológico regula com precisão vários processos biológicos dentro dos organismos, incluindo a expressão gênica, o metabolismo celular e o crescimento e desenvolvimento. Esta orquestração garante uma aquisição e utilização ótimas de energia. No contexto do arroz, aproximadamente um terço dos genes que são ativamente transcritos exibem padrões cíclicos. No entanto, os mecanismos intrincados através dos quais o relógio biológico governa a expressão rítmica dos genes permanecem insuficientemente examinados. Além disso, as fundações epigenómicas e genómicas tridimensionais da expressão gênica rítmica permanecem pouco claras.

Os investigadores reuniram extensos conjuntos de dados genómicos abrangendo RNA-seq, H3K9ac ChIP-seq, ATAC-seq e dados de BL-Hi-C em três condições de luz distintas. Através dos seus esforços, revelaram o motivo de oscilações circadianas associado à modificação de histona H3K9ac e as alterações rítmicas dinâmicas na estrutura 3D do genoma. Além disso, exploraram as variações na expressão de genes rítmicos do arroz em resposta a diversas condições de luz.

Análises integradas do genoma 3D, epigenoma e transcriptoma revelam a coordenação transcricional do ritmo circadiano no arroz. (Zhang et al., 2023)

Alterações Rítmicas nos Locais de Modificação H3K9ac

Os locais de modificação de H3K9ac exibiram alterações rítmicas notáveis sob condições variáveis. Foi determinado que a extensão dos sinais de modificação H3K9ac apresentava uma correlação positiva notável com o grau de alterações rítmicas na expressão nos locais correspondentes. O pico da modificação de acetilação de histona em termos de expressão precedeu o pico da expressão gênica rítmica por um período de 1-2 horas. Isso sugere que as alterações rítmicas na acetilação de H3 desempenham um papel crucial em impulsionar a expressão transcricional de genes que exibem padrões rítmicos. Além disso, o estudo revelou variações significativas nas características oscilatórias da expressão gênica rítmica no arroz sob diferentes condições de luz. No âmbito da expressão gênica rítmica em todo o genoma, os níveis de expressão foram mais baixos sob condições de baixa luz (LL) em comparação com condições de dia longo (LD), mas mais altos do que aqueles sob condições de escuridão contínua (DD). A amplitude da expressão sob condições LL foi inferior à das condições LD, mas superior à das condições DD. Além disso, a fase foi adiantada sob condições LL e atrasada sob condições DD. O exame dos padrões de expressão de genes bem conhecidos do relógio biológico sob várias condições confirmou a sua alinhamento com os padrões de expressão de genes rítmicos em todo o genoma. A escuridão contínua induziu um atraso de fase na expressão gênica rítmica, enquanto a luz contínua resultou numa redução da amplitude da expressão gênica rítmica.

Alterações circadianas na acetilação de H3 regulam a expressão gênica oscilante. (Zhang et al., 2023)

Dinamismo da Ligação de Fatores de Transcrição e Redes Regulatórias na Expressão Gênica Circadiana

A análise dos dados de ATAC-seq revelou que as áreas de cromatina acessível permaneceram relativamente estáveis ao longo do ciclo diário de 24 horas. No entanto, uma quantidade substancial de fatores de transcrição exibiu ligação dependente do tempo a estas regiões de cromatina, orquestrando a expressão rítmica dos genes. Após isso, os cientistas traçaram a rede regulatória formada por estes fatores de transcrição de ligação oscilatória, conectando-os a genes que exibiam padrões de expressão rítmica. Esta conexão foi estabelecida incorporando as impressões rítmicas encontradas em regiões de cromatina aberta de genes fundamentais do relógio biológico e empregando modelagem preditiva para fatores de transcrição. Notavelmente, a investigação destacou os papéis significativos desempenhados por fatores de transcrição relacionados à sinalização de luz e temperatura na condução das flutuações do ritmo circadiano e na coordenação da expressão de genes cruciais do relógio biológico.

Mapeamento da rede regulatória de fatores de transcrição oscilantes. (Zhang et al., 2023)

Resumo

Usando a tecnologia Hi-C in situ, os investigadores realizaram uma análise comparativa da estrutura da cromatina em dois pontos temporais: ZT8 e ZT20. Os genes que exibiam expressão rítmica específica do tempo em ZT8 foram observados como estando densamente agrupados, enquanto em ZT20, pareciam estar mais soltos. Esta observação sugere que a expressão rítmica destes genes está sincronizada com a mudança da estrutura 3D da cromatina ao longo do dia. Além disso, certos RNAs longos não codificantes (lncRNAs) rítmicos exibiram modificações H3K9ac oscilatórias sincronizadas, e estes lncRNAs foram co-expressos com genes rítmicos vizinhos. Acredita-se que esta co-expressão decorra de interações dentro do espaço da cromatina. Estas descobertas iluminam um potencial mecanismo envolvendo o alinhamento de modificações oscilatórias de H3K9ac, fatores de transcrição ligados dinamicamente e lncRNAs e genes rítmicos co-expressos. Em última análise, estas percepções oferecem uma nova perspectiva sobre as alterações dinâmicas na conformação espacial da cromatina que estão ligadas à expressão rítmica dos genes.

Referência:

1. Zhang, Ying, et al. "Análises integradas do genoma 3D, epigenoma e transcriptoma revelam a coordenação transcricional do ritmo circadiano no arroz." Pesquisa em Ácidos Nucleicos (2023): gkad658.