清華新聞網(wǎng)4月29日電 真核生物中的RPD3類組蛋白去乙酰化酶對(duì)調(diào)控染色質(zhì)狀態(tài)和基因表達(dá)具有重要作用。高等植物中進(jìn)化產(chǎn)生了多個(gè)功能特異的RPD3類組蛋白去乙酰化酶，其中模式植物擬南芥中的HDA19和HDA6序列相似，但功能高度分化。HDA19參與植物正常生長(zhǎng)發(fā)育，是植株維持正常形態(tài)所必需，而HDA6主要負(fù)責(zé)控制植物開(kāi)花時(shí)間及基因組DNA甲基化。它們實(shí)現(xiàn)特異功能的分子機(jī)制和生物學(xué)意義尚不清楚。
4月28日，清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院何新建實(shí)驗(yàn)室在《歐洲分子生物學(xué)組織雜志》（EMBO Journal）在線發(fā)表了題為“擬南芥中HDA19組蛋白去乙酰化酶復(fù)合物的基本被子植物特異性亞基”（Essential angiosperm-specific subunits of HDA19 histone deacetylase complexes in Arabidopsis）的研究論文，發(fā)現(xiàn)擬南芥中的被子植物特異蛋白HDIPs對(duì)HDA19實(shí)現(xiàn)其功能特異性發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
研究通過(guò)親和純化聯(lián)合質(zhì)譜分析，發(fā)現(xiàn)擬南芥中一類被子植物特有的未知功能蛋白能夠與HDA19結(jié)合，但不能與HDA6結(jié)合，命名為HDIP1/2/3（HDA19-interacting protein 1, 2, and 3）。HDIP1/2/3和HDA19能夠進(jìn)一步共同結(jié)合組蛋白去乙酰化酶復(fù)合體的保守亞基，形成植物中的SIN3型組蛋白去乙酰化酶復(fù)合體。遺傳分析發(fā)現(xiàn)，HDIP1/2/3功能冗余，并且hdip1/2/3三突變體呈現(xiàn)出明顯的生長(zhǎng)發(fā)育缺陷表型，表現(xiàn)為子葉膨大，蓮座葉向下彎曲，植株矮小，開(kāi)花延遲，果莢變短；這些表型與hda19突變體的表型高度相似，而與HDA19組蛋白去乙酰化酶復(fù)合體其他組分的突變體明顯不同，揭示了HDIP1/2/3與HDA19的生物學(xué)功能緊密關(guān)聯(lián)（圖1）。
通過(guò)ChIP-seq和RNA-seq聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn)，HDIP1和HDA19蛋白在全基因組水平共定位，主要富集在基因的轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)附近，共同抑制大量靶基因的表達(dá)，這些基因在生物逆境和非生物逆境脅迫應(yīng)答基因中高度富集。在hdip1/2/3和hda19突變體中，逆境脅迫應(yīng)答基因過(guò)量表達(dá)，導(dǎo)致植株矮小，同時(shí)耐旱性水平顯著增強(qiáng)。這些結(jié)果表明，被子植物中進(jìn)化產(chǎn)生的HDIP1/2/3通過(guò)與HDA19協(xié)同作用，在非逆境條件下抑制逆境脅迫應(yīng)答基因轉(zhuǎn)錄，維持植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育。
圖1.HDIP1/2/3和HDA19共同調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育
利用ChIP-seq對(duì)組蛋白乙酰化水平進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)HDIP1/2/3和HDA19在全基因組水平上對(duì)轉(zhuǎn)錄的的抑制只在少部分基因上依賴組蛋白去乙酰化作用，揭示了獨(dú)立于組蛋白去乙酰化作用的基因轉(zhuǎn)錄抑制功能。通過(guò)體外凝膠阻滯遷移電泳發(fā)現(xiàn)，HDIP蛋白中一個(gè)未知功能的a-螺旋結(jié)構(gòu)域傾向于結(jié)合較長(zhǎng)的雙鏈DNA。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)域?qū)哂懈呒?jí)結(jié)構(gòu)的DNA和核小體DNA具有高度結(jié)合能力，是HDIP1/2/3在植物體中發(fā)揮生物學(xué)功能所必需的，可能在體內(nèi)參與抑制性染色質(zhì)狀態(tài)的形成。上述結(jié)果表明，被子植物特異亞基HDIP1/2/3能夠與HDA19協(xié)同作用，通過(guò)依賴組蛋白去乙酰化和不依賴組蛋白去乙酰化兩種方式共同抑制逆境脅迫應(yīng)答基因的表達(dá)（圖2）。
圖2.HDIP-HDA19組蛋白去乙酰化酶復(fù)合體作用模型
綜上，該研究發(fā)現(xiàn)了擬南芥HDA19組蛋白去乙酰化酶復(fù)合體中未知功能的被子植物特異亞基HDIP1/2/3，闡明了HDIP1/2/3與HDA19協(xié)同抑制脅迫應(yīng)答基因表達(dá)的分子機(jī)制，揭示了被子植物成功適應(yīng)陸生環(huán)境并成為主導(dǎo)類群在染色質(zhì)層面的調(diào)控機(jī)制。
何新建實(shí)驗(yàn)室已畢業(yè)博士生劉娜為論文第一作者，何新建研究員為論文通訊作者。其他作者包括北京生命科學(xué)研究所李嘉欣、袁丹陽(yáng)、蘇銀娜、王琪、蘇曉敏、李琳、陳涉研究員，清華大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院張沛、李海濤教授。北京生命科學(xué)研究所王利珍博士和韓霆研究員為研究提供了細(xì)胞實(shí)驗(yàn)材料支持。研究得到科技部和國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助。
論文鏈接：
https://www.embopress.org/doi/epdf/10.1038/s44318-025-00445-w
供稿：生物醫(yī)學(xué)交叉研究院
編輯：李華山
審核：郭玲
