清華新聞網(wǎng)12月13日電 真核生物中組蛋白翻譯后修飾能夠通過影響染色質(zhì)狀態(tài)調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄。以往的研究表明，與動物中不同，植物中與轉(zhuǎn)錄抑制關(guān)聯(lián)的組蛋白H2A單泛素修飾（H2Aub）在轉(zhuǎn)錄活躍基因上大量富集，然而富集的分子機制尚不清楚。AL蛋白家族是植物所特有，這類蛋白所具有的PHD結(jié)構(gòu)域能夠識別H3K4me3修飾，該修飾與基因的轉(zhuǎn)錄活躍相關(guān)聯(lián)。
清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院何新建課題組對擬南芥中的AL1~AL7七個蛋白進(jìn)行了系統(tǒng)研究。利用T-DNA突變、CRISPR/Cas9誘導(dǎo)突變和遺傳雜交，獲得了單突體和不同組合的多突變體。研究表明，單突變體沒有明顯的生長發(fā)育表型，多突變表現(xiàn)明顯的早花，而高階多突變體出現(xiàn)明顯的生長發(fā)育缺陷乃至致死，這表明擬南芥不同AL蛋白之間功能冗余，對植物的生長發(fā)育至關(guān)重要（圖1）。
圖1. AL蛋白調(diào)控植物開花時間和生長發(fā)育
為了探究AL蛋白作用的分子機制，研究者對擬南芥七個AL蛋白進(jìn)行親和純化結(jié)合質(zhì)譜分析，鑒定它們的結(jié)合蛋白。結(jié)果表明，AL蛋白能夠與許多染色質(zhì)相關(guān)蛋白或蛋白復(fù)合體互作（圖2）。深入研究表明，AL蛋白N端的PAL結(jié)構(gòu)域負(fù)責(zé)與這些染色質(zhì)相關(guān)蛋白結(jié)合，而C-端的PHD結(jié)構(gòu)域不是結(jié)合所必需。ChIP-seq分析表明，PAL和PHD這兩個結(jié)構(gòu)域?qū)τ贏L蛋白在全基因組水平上與靶基因結(jié)合都具有重要作用。特別地，其中PHD結(jié)構(gòu)域特異負(fù)責(zé)將AL蛋白招募到具有較高H3K4me3水平的靶基因上。
圖2.AL蛋白與多種染色質(zhì)相關(guān)蛋白互作
本研究發(fā)現(xiàn)擬南芥AL蛋白主要在全基因組水平負(fù)責(zé)促進(jìn)H2Aub修飾，是PRC1復(fù)合體的植物特異亞基，在具有較高H3K4me3水平的靶基因上促進(jìn)H2Aub修飾，從而抑制這些基因的轉(zhuǎn)錄活性狀態(tài)。利用擬南芥中負(fù)責(zé)H3K4me3修飾關(guān)鍵酶SDG2的突變體，進(jìn)一步明確了H3K4me3與H2Aub修飾之間在全基因組水平上的上下游關(guān)系，闡明了AL蛋白在偶聯(lián)這兩種修飾之間的關(guān)鍵作用。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)AL蛋白能夠通過與其他多種染色質(zhì)相關(guān)蛋白或蛋白復(fù)合體互作用參與調(diào)控H2A.Z組裝、組蛋白修飾和染色質(zhì)開放，揭示了AL蛋白功能的多樣性（圖3）。
綜上，本研究發(fā)現(xiàn)了植物特異的H3K4me3與H2Aub修飾在全基因組范圍內(nèi)偶聯(lián)的分子機制，揭示了H3K4me3修飾與其他多種染色質(zhì)修飾之間聯(lián)系，為深入理解不同染色質(zhì)修飾之間的關(guān)聯(lián)機制奠定了基礎(chǔ)。
圖3.AL蛋白的工作模型
研究成果以“阿爾芬樣蛋白將組蛋白H3K4me3與H2A泛素化聯(lián)系起來，并協(xié)調(diào)擬南芥中多種染色質(zhì)修飾”（ALFIN-like proteins link histone H3K4me3 with H2A ubiquitination and coordinate diverse chromatin modifications in Arabidopsis）為題，于12月11日在線發(fā)表在《分子植物》（Molecular Plant）期刊上。研究發(fā)現(xiàn)擬南芥中識別組蛋白H3K4me3修飾的ALFIN-like (AL) 蛋白作為PRC1復(fù)合體亞基促進(jìn)H2Aub修飾，從而在全基因組水平建立H3K4me3與H2Aub修飾之間的偶聯(lián)。
何新建課題組的2021級博士研究生蘇小敏為該論文的第一作者，何新建研究員為通訊作者。其他作者包括北京生命科學(xué)研究所的袁丹陽、劉娜、張釗晨、李琳、陳涉研究員，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院的楊敏琪、周岳研究員。該研究得到科技部和國家自然科學(xué)基金委的資助。
論文鏈接：
https://www.cell.com/action/showPdf?pii=S1674-2052%2824%2900391-5
供稿：生物醫(yī)學(xué)交叉研究院
編輯：李華山
審核：郭玲
