染色質修飾如何調控基因表達？中國學者提出新見解

　　中科院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所植物逆境生物學研究中心的研究人員最新發表兩篇Nature Genetics文章，利用生化、分子、遺傳、組學及結構生物學等研究方法，分別揭示了植物特有染色質凝縮蛋白EMF1與含BAH結構域的SHL和EBS形成BAH-EMF1復合體而介導植物基因沉默的分子機制，以及二價組蛋白標記閱讀器EBS在擬南芥開花時間調控中的作用機制。

　　這對于理解植物基因表達調控這一基本科學問題具有重要的理論意義，同時也為作物花期調控的生產應用提供了新思路。

　　在第一篇文章中，植物分子遺傳國家重點實驗室何躍輝研究組與劉仁義研究組合作，揭示了植物特有染色質凝縮蛋白EMF1與含BAH結構域的SHL和EBS形成BAH-EMF1復合體而介導植物基因沉默的分子機制。

　　組蛋白賴氨酸的甲基化修飾在真核生物基因表達調控中的作用廣泛，是一種重要的調控方式。其中組蛋白H3第4位賴氨酸的三甲基化(H3K4me3)修飾通常與基因活性表達關聯，而H3第27位賴氨酸的三甲基化(H3K27me3)修飾則與之拮抗，抑制基因表達。

　　H3K27me3修飾由Polycomb蛋白家族(PcG)介導。多細胞生物在細胞分化過程中，一部分基因會被PcG蛋白沉默，以維持分化后細胞的屬性(cell identity)。PcG蛋白形成PRC1和PRC2兩個蛋白復合體，通過染色質修飾抑制靶基因的轉錄。其中PRC2的各組份在動植物中高度保守，其分子功能為催化H3K27me3。在動物體中，H3K27me3被PRC1復合體中的組分Pc識別并結合，進而通過另一組分Ph介導的染色質凝縮來抑制基因表達。

　　植物沒有Pc和Ph的同源蛋白，但H3K27me3這一修飾在基因組廣泛分布，植物如何解密H3K27me3這一沉默標記尚不清楚。之前在模式種子植物擬南芥中發現LHP1蛋白能識別H3K27me3，然而lhp1缺失突變體表型弱，受影響的基因不多，從而提示植物中還存在其它的H3K27me3識別蛋白與植物特有的染色質凝縮蛋白EMF1協同抑制基因表達。因此，植物似乎演化出不同于動物的H3K27me3解密機制來調控基因表達。

　　shl ebs lhp1三突變體

　　何躍輝研究組通過蛋白互作分析找到了擬南芥EMF1蛋白的互做蛋白SHL和EBS。這兩個同源蛋白含兩個結構域：BAH和PHD。生化實驗表明BAH結構域不僅介導與EMF1的互作，還能識別H3K27me3；進一步的分子遺傳分析發現SHL和EBS與EMF1形成H3K27me3的 “reader-effector”復合體： SHL或EBS為reader，染色質凝縮蛋白EMF1為effector。這一復合體解密基因組上的H3K27me3沉默標記、抑制靶基因表達。在shl ebs lhp1缺失三突變體中，擬南芥基因組上的H3K27me3不能被維持，幼苗的體細胞分化被逆轉，形成愈傷組織（上圖）；這一表型與H3K27 三甲基化酶缺失突變體高度一致。此外，研究人員發現在單子葉植物水稻中，SHL-EBS家族蛋白能識別H3K27me3并與EMF1的同源蛋白互作，形成類似的BAH-EMF1“reader-effector”復合體。這些發現揭示了植物在漫長的進化過程中演化出了與動物不同的H3K27me3解密機制來抑制基因表達，調控生長發育（下圖）。

　　BAH-EMF1復合體介導的基因沉默模式

　　第二篇文章中，杜嘉木研究組與美國威斯康辛大學鐘雪花研究組合作，發現了二價組蛋白標記閱讀器EBS在擬南芥開花時間調控中的作用機制。

　　他們發現EBS蛋白為二價組蛋白標記閱讀器：BAH和PHD結構域分別識別H3K27me3和H3K4me3標記。體外實驗發現EBS結合H3K27me3的親和力要高于結合H3K4me3的親和力，進一步的結構生物學研究發現EBS的BAH結構域通過識別肽段H3K27me3的甲基化賴氨酸和第30位的脯氨酸來實現序列選擇的特異性（下圖）。

　　EBS蛋白結構

　　有趣的是，EBS可以通過C端一段含有脯氨酸的無規則結構,以自抑制的方式抑制PHD結構域結合H3K4me3。植物體內的實驗表明EBS在染色質上能結合H3K4me3和H3K27me3，其在擬南芥基因組上的分布與H3K27甲基化酶CLF的分布相似。EBS抑制成花素基因表達，從而抑制開花，進一步分析發現EBS作為一個分子開關，能分別識別H3K4me3和H3K27me3標記以及精確轉變其結合偏好性來確保適時開花。

　　這兩項研究揭示了植物巧妙解密靶基因染色質上的標記，以精準調控關鍵基因表達的新機制，對理解植物基因表達調控這一基本科學問題具有重要的理論意義，同時也為作物花期調控的生產應用提供了新思路。