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Nature Genetics| 逆境中心揭示染色质修饰沉默植物基因表达的新机制

近日,Nature Genetics在线发表中国科学院上海植物逆境生物学研究中心何跃辉课题组在题为“Polycomb-mediated gene silencing by the BAH-EMF1 complex in plants”的研究长文 ,报道了植物特有的染色质凝缩蛋白EMF1与含BAH结构域的SHL和EBS分别形成BAH-EMF1复合体,介导高等植物基因沉默的分子机制。


Polycomb蛋白家族(PcG)广泛存在于多细胞生物中,是基因表达调控的核心因子;在细胞分化过程中,一部分基因会被PcG蛋白介导的染色质修饰而沉默,从而维持分化后细胞的属性(cell identity)。PcG蛋白可以形成PRC1和PRC2两个蛋白复合体,通过染色质修饰抑制靶基因的转录。其中PRC2的各组份在动植物中高度保守,其分子功能为催化组蛋白H3第27位赖氨酸的三甲基化 (H3K27me3)。在动物体中,H3K27me3被PRC1复合体中的组分Pc识别并结合,进而通过另一组分Ph介导染色质凝缩来抑制基因表达。植物中没有Pc和Ph的同源蛋白,但H3K27me3这一修饰在植物的基因组上广泛分布,植物如何解密H3K27me3这一沉默标记尚不清楚。之前在模式种子植物拟南芥中发现LHP1蛋白能识别H3K27me3,然而lhp1缺失突变体表型弱,受影响的基因不多,从而提示植物中还存在其它的H3K27me3识别蛋白。植物没有Ph同源蛋白,前期研究暗示植物特有蛋白EMF1介导了染色质凝缩而抑制基因表达。因此,植物似乎演化出不同于动物的H3K27me3解密机制来调控基因表达。


研究人员通过蛋白互作分析找到了拟南芥EMF1蛋白的互做蛋白SHL和EBS。这两个同源蛋白含有两个结构域:BAH和PHD。生化实验表明BAH结构域不仅介导与EMF1的互作,还能识别H3K27me3;进一步的分子遗传分析发现SHL和EBS与EMF1形成H3K27me3的 “reader-effector” 复合体: SHL或EBS为reader,染色质凝缩蛋白EMF1为effector。这一复合体解密基因组上的H3K27me3沉默标记、抑制靶基因表达。在shl ebs lhp1三缺失突变体中,拟南芥基因组上的H3K27me3不能被维持,幼苗的体细胞分化被逆转,形成愈伤组织(图1);这一表型与H3K27 三甲基化酶缺失突变体高度一致。此外,研究人员发现在单子叶植物水稻中,SHL-EBS家族蛋白能识别H3K27me3并与EMF1的同源蛋白互作,形成类似的BAH-EMF1“reader-effector”复合体。这些发现揭示了植物在进化过程中演化出了与动物不同的H3K27me3解密机制来抑制基因表达,调控生长发育。


该项研究由何跃辉课题组与刘仁义课题组合作完成,得到了国家基金委和中国科学院的资助;博士后李子聪为第一作者。

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