蜜蜂是一種真社會性昆蟲，是研究社會性昆蟲級型發育和級型分化的重要模式生物，其分工主要基于級型分化（蜂王(queen)和工蜂(worker)）。分化后，盡管基因組相同，但蜂王和工蜂具有不同的形態、生理、行為和壽命相關特征，級型分化的背后機制尚未完全了解。有證據表明，蜂王和工蜂之間營養狀況的差異通過改變DNA甲基化模式來調節級型分化。此外Wnt信號通路、雷帕霉素靶蛋白（target of rapamycin，TOR）、營養響應通路和絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）通路等各種信號通路都與蜜蜂級型分化有關。然而沒有證據表明組蛋白甲基化有助于蜜蜂發育，組蛋白甲基化在蜜蜂級型分化中的作用尚未確定。
 
2023年03月25日，江西農業大學蜜蜂研究所曾志將教授團隊在《Int J Mol Sci 》期刊以“H3K4me1 Modification Functions in Caste Differentiation in Honey Bees“為題發表研究論文，該研究首次在蜜蜂級型分化的關鍵時間點(3齡期)之前(2齡期)和之后(4齡期)的H3K4me1分布進行了全基因組分析。研究結果表明，與2齡期相比，4齡期時的差異表達基因(DEG)和H3K4me1標記數量顯著增加，且基因表達與H3K4me1呈負相關。進一步分析表明，蜂王和工蜂的染色質模式在4齡期時存在顯著差異。H3K4me1修飾促進了工蜂幼蟲發育。本研究結果揭示了H3K4me1在蜜蜂幼蟲發育和級型分化中的重要作用。



標題：H3K4me1 Modification Functions in Caste Differentiation in Honey Bees（H3K4me1修飾在蜜蜂級型分化中的作用）
時間：2023-03-25
期刊：INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES
影響因子：IF 6.208
技術平臺：ChIP-seq、RNA-seq、qRT-PCR等

摘要：
蜜蜂是表觀遺傳學研究的重要物種，具有相同基因型的雌性蜜蜂幼蟲可以根據飲食等條件發育成表型不同的生物（不育工蜂和可育蜂王）。先前的研究表明，DNA甲基化和組蛋白修飾可以建立不同的基因表達模式，導致級型分化。目前尚不清楚組蛋白甲基化修飾H3K4me1是否也能影響級型分化。本研究分析了蜂王和工蜂幼蟲的全基因組H3K4me1修飾，發現在2齡期和4齡期的工蜂幼蟲中，H3K4me1標記比蜂王幼蟲中更為富集，且許多與級型分化相關基因存在差異甲基化。值得注意的是，啟動子區域的級型特異性H3K4me1可以誘導工蜂發育。總之，本研究結果表明，H3K4me1修飾可能是蜜蜂級型特異性轉錄程序構建和維持的重要調控因子；當然不排除其他表觀遺傳學修飾的潛在影響。

研究結果：
（1）蜜蜂的H3K4me1修飾在轉錄區域富集 （2）級型分化特異性H3K4me1修飾模式與差異基因表達的相關性

1. 不同H3K4me1修飾基因和DEG在蜂王和工蜂之間的重疊分析Venn圖。
2. 蜂王和工蜂之間富集差異相對于H3K4me1信號的負對數p值的火山圖。紅色區域表示H3K4me1修飾在蜂王中上調。藍色區域表示H3K4me1修飾在工蜂中上調。灰色表示無顯著差異（p>0.05）。
3. 通過ChIP-seq鑒定的蜂王和工蜂幼蟲之間表達顯著差異的散點圖（x軸）與蜂王和工蜂幼蟲之間轉錄本表達的Log2FC（y軸）。紅色表示RNA-seq和ChIP-seq鑒定的差異一致。藍色表示RNA-seq和ChIP-seq獲得相反模式。灰色表示沒有顯著差異（p>0.05）。

  A-D.   在2Q (A)、2W (B)、4Q (C)和4W (D)中，特異性H3K4me1修飾富集相關基因的蜜蜂級型分化KEGG通路是負log2 p值。紅色字體標記的是與級型分化相關通路，而黑色字體則不相關。
E.     2Q vs 2W中，H3K4me1 peaks相關差異基因的KEGG通路富集分析。
F.     4Q vs 4W中，H3K4me1 peaks相關差異基因的KEGG通路富集分析。
 
（3）工蜂級型表征可能由H3K4me1誘導

1. 幼激素酯酶(Juvenile hormone esterase，JHe;LOC406066)基因在2齡期和4齡期均達到全基因組顯著性(p≤0.01)，且H3K4me1修飾具有2倍以上差異。
2. 差異表達的候選級型分化相關轉錄本的RNA表達水平和H3K4me1豐度。

最后，研究選擇5個在蜜蜂級型分化中具有既定作用的基因進行qRT-PCR驗證，5個基因分別為JHe（Juvenile hormone esterase）、Vg（Vitellogenin，LOC406088）、JHAMT（juvenile hormone acid O-methyltransferase，LOC724216）、Hex70a（hexamerin 70a，LOC726848）和Hsp90（heat shock protein 90，LOC408928）。結果驗證了本研究轉錄組結果與之前研究結果一致，H3K4me1富集趨勢與轉錄組數據趨勢一致，支持了本研究結果的可靠性。幼激素（Juvenile hormone，JH）是蜜蜂級型分化的主要調節因子，Vitellogenin是JH的拮抗因子。H3K4me1在2齡期和4齡期工蜂Vg基因中富集顯著高于蜂王。這些結果進一步支持了H3K4me1修飾在調控轉錄中的作用，并揭示H3K4me1和轉錄本協同調控對蜜蜂級型分化的影響。
 
結論
本研究通過ChIP-seq和對應的RNA-seq等實驗，在蜜蜂的級型分化過程中，觀察到蜂王和工蜂幼蟲之間H3K4me1修飾的顯著差異。染色質修飾可以調節決定蜜蜂級型基因轉錄。此外，H3K4me1修飾與工蜂幼蟲發育的調控密切相關，可能是工蜂發育通路中的一個重要修飾。本研究結果表明了組蛋白甲基化對蜜蜂發育的貢獻，并可能有助于進一步研究級型分化和發育可塑性。

參考文獻：
Zhang Y, Li Z, He X, Wang Z, Zeng Z. H3K4me1 Modification Functions in Caste Differentiation in Honey Bees. Int J Mol Sci. 2023 Mar 25;24(7) pii: ijms24076217.