家蚕3D基因组结构解析及其调控丝蛋白BmFib-H超高量表达的分子机制

Silk fibroin heavy chain is the most abundant protein in silk fiber. The ultra-high expression level and spatial-temporal specific expression pattern make BmFib-H a model for gene regulation mechanism. However, the current endoreplication hypothesis and transcriptional factor model can not fully explain the mechanism of BmFib-H regulation. In this proposal, we propose that 3D genome structure is evolved in the regulation of BmFib-H, based on a preliminary investigation. Using cutting-edge technologies such as Hi-C based 3D genome and CRISPR/Cas9, we will reveal the 3D genome structure of major tissues at key development period, construct the high-resolution interaction maps genome widely, identify key interaction sites and structures that involved in BmFib-H, generating mutants of key interactions and genes. Through these studies, we will finally reveal the relationship between 3D genome structure and regulation of BmFib-H, and reveal the molecular mechanism of ultra-high expression level of BmFib-H.

丝素重链蛋白BmFib-H是蚕丝中含量最高的蛋白，具有罕见的超高表达量和时空特异表达模式，是研究基因表达调控机制的理想模型。已有的细胞分裂学说和转录因子调节模式还无法解释其超高量表达的机制。本项目在前期研究的基础上，提出了3D基因组结构调控BmFib-H表达的理论，利用基于Hi-C的3D基因组和基于CRISPR/Cas9的基因组编辑等前沿技术，解析家蚕主要组织和时期的3D基因组结构，揭示高分辨率全基因组互作关系，鉴定与BmFib-H相关的互作位点和3D基因组构象，创制关键互作位点和基因的编辑突变体，最终阐释3D基因组结构与BmFib-H表达调控的关系模型，解析BmFib-H超高量表达的分子机制。本项目聚焦“3D基因组调控BmFib-H表达”这一关键科学问题，有效利用前沿技术，巧妙整合理论创新与应用，有望为“3D基因组结构与功能”这一未明的前沿问题提供借鉴，也能为改善蚕丝产量和品质提供参考。

动物泌丝是自然界最为奇特和神秘的现象之一，泌丝行为也对生态环境稳态和生物多样性保持有至关重要的作用。家蚕丝素重链蛋白BmFibH是昆虫中含量最高的蛋白，具有罕见的超高表达量和时空特异表达模式，是研究基因表达调控机制和泌丝的分子机制的理想模型。已有的细胞分裂学说和转录因子调节模式还无法解释其超高量表达的机制。本项目在前期研究的基础上，提出了3D基因组结构调控BmFibH表达的理论。利用基于Hi-C的3D基因组和基于CRISPR的基因组编辑技术，解析了3D基因组结构调控BmFibH基因超高表达的分子机制。获得的主要研究结果如下：（1）完成了家蚕多组织、多时期家蚕3D基因组结构，确认BmFibH高表达时期后部丝腺细胞中特有的3D基因组构象，同时鉴定到了多个BmFibH基因附近的基因组远程互作位点和关键区域，与野桑蚕的对比分析发现，这些特殊的构象和互作位点在不同昆虫中具有很高的保守性；（2）建立了可以破坏或调控3D基因组结构的长片段基因组编辑方法，针对鉴定到的互作位点和关键区域，制备了BmFibH基因全序列删除的编辑突变体、互作位点边界破坏的突变体、以及关键区域删除的突变体；（3）鉴定了家蚕中维持3D基因组结构的蛋白，并利用CRISPR/Cas9技术制备了相应的突变体，其中BmLMN基因的突变体出现了丝蛋白表达量显著下调，蚕茧经济性状显著降低的表型，进一步证明3D基因组结构对于BmFibH基因超高量表达的关键调控作用；（4）对获得的多个突变个体的后部丝腺组织进行3D基因组构象捕获，初步解析了3D基因组结构调控BmFibH超高量表达的分子机制。本项目的思路和结果都为进一步解析动物泌丝行为的分子机制奠定了重要的基础，也为新型家蚕品种的培育提供了参考，为前沿生物技术和蚕桑产业的需求提供了转化的桥梁。