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上海交大陆婷婷课题组水稻染色体外环状DNA研究取得重要进展
近日，国际著名期刊《Nature Communications》在线发表了上海交通大学生命科学技术学院陆婷婷课题组的研究成果“Dynamics of extrachromosomal circular DNA in Rice”。生命科学技术学院陆婷婷研究员，中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员韩斌为论文的共同通讯作者，博士庄俊冬和博士生张燿鑫为论文共同第一作者。上海师范大学教授黄学辉、中科院分子植物科学卓越创新中心研究员徐麟、朱新广及博士倪晓祥为论文提供宝贵意见。
理解基因组的动态特性是基因组学研究中的重要方向之一，这对揭示生命机制和进化生物学具有重要意义。染色体外环状DNA（extrachrosomal circular DNA, eccDNA）作为真核生物基因组的独特组成部分，在生物医学领域的多项研究中已被证实其具有丰富而重要的生物学功能。水稻是单子叶模式植物，也是世界上最主要的粮食作物之一。开展水稻eccDNA研究，能从全新角度认识水稻基因组稳定性及响应环境变化的遗传适应基础。
研究团队利用Circle-Seq技术，从日本晴的6种不同组织样本中，成功鉴定共计25,598个高可信度eccDNA。这些eccDNA在染色体上均匀分布，没有明显热点区域。从不同组织样本中检测到的eccDNA数量存在差异，但其长度分布具有一致性，主要集中在200bp-400bp区间。值得注意的是，不同组织来源的eccDNA展现出显著异质性（图1）。
图1. 使用Circle-Seq技术在六种不同水稻组织中检测eccDNA
为进一步探究水稻中eccDNA的形成机制，研究团队重点分析其末端序列特征。通过一系列的比对分析、模型预测以及实验验证，揭示在水稻中存在一种特殊类型的eccDNA（约占4.41%），其末端含有长度在7到15碱基对之间的微小同源直接重复序列。这一特征与DNA双链断裂修复的一个备用途径，即替代性末端连接（Alt-EJ）的特征相吻合，从而为eccDNA的可能形成机制提供了新的见解（图2）。
图2.Direct Repeat介导的eccDNA形成机制
进一步地，通过对不同水稻样本进行二代（Next-Generation Sequencing, NGS）和三代（High-Fidelity, HiFi）测序分析，证实eccDNA能够导致染色体微缺失。这一结果不仅增强了对eccDNA功能影响的认识，也为未来在水稻基因组学研究中利用eccDNA探索新的遗传变异提供了方法论基础（图3）。
图3. eccDNA造成水稻染色体微缺失
结合RNA-seq数据，约40%的基因与eccDNA重叠，但总体上基因表达量与eccDNA存在与否并未显示出统计学上的显著性差异，暗示多数基因的表达变化与eccDNA之间缺乏直接相关性。此外，研究发现，与其他组织相比，水稻叶片中的eccDNA含量异常高，且与基因重叠的比例相对较低，表现出独特的生物学特征。相较之下，在双子叶模式植物拟南芥中，并未观察到类似现象。这种差异可能与水稻作为喜光植物的生物特性有关，紫外线（UV）照射可以引起染色体断裂和DNA损伤。通过将水稻叶片暴露于强紫外线（78μW/cm²，持续20分钟）下处理，与对照组相比，水稻叶片中的eccDNA含量显著增加。要详细解析这一现象背后的机制，还需进一步深入的研究。
综上所述，该研究开创性地证实了eccDNA在水稻中普遍存在，证实eccDNA可导致水稻染色体微缺失，并鉴定到一类两端具特征性直接重复短序列的DR-eccDNA，而水稻叶片eccDNA的显著富集可能与DNA损伤修复途径的选择具有关联。
该研究工作得到了国家自然科学基金的支持。对陆婷婷课题组感兴趣的研究人员可通过邮箱联系：xyzltt@sjtu.edu.cn
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46691-0