科研进展 | 李海涛团队合作揭示组蛋白H3K36me3和H2A.Z协同调控拟南芥开花的分子机制

近期，清华大学医学院/北京生物结构前沿研究中心李海涛课题组与中国科学技术大学生命科学学院丁勇课题组合作在《遗传学与基因组学报》（Journal of Genetics and Genomics） 杂志在线发表了最新研究成果”组蛋白H3K36me3修饰和H2A.Z变体协同调控拟南芥开花  （H3K36me3 and H2A.Z coordinately modulate flowering time in Arabidopsis）。该研究揭示了组蛋白甲基转移酶SDG7通过与SWR1复合物的亚基SWC6直接互作，促进FLC（Flowering Locus C,成花因子）位点上组蛋白H3K36me3修饰的建立和组蛋白变体H2A.Z的沉积，从而抑制植物开花。

图1.  SDG7-SWC6协同调控拟南芥开花工作模型

开花是植物生长发育的一个重要阶段，在合适的时间开花是植物成功繁殖的关键。影响植物成花调控的分子网络一直是领域内的研究热点之一，总结为如下6条经典调控途径，包括：年龄途径、光周期途径、温度途径、春化途径、自主途径和赤霉素（gibberellins，GA）途径[1]。近年研究还发现了两条新的成花调控途径，即脱落酸（abscisic acid，ABA）途径[2, 3]和油菜素甾醇（brassinosteroids，BR）途径[4]。上述8条途径共同构成了复杂的成花调控分子网络，FLC 作为成花调控的关键因子，涉及多条途径，且受到多种染色质修饰的表观遗传调控。其中，组蛋白甲基化和组蛋白变体对 FLC 的转录调控至关重要。然而，组蛋白H3K36me3 修饰和 H2A.Z变体如何协同调节开花时间的机制仍不清楚。

SWC6（SWR1C SUBUNIT 6）作为SWR1染色质重塑复合物的关键亚基之一，调控了组蛋白变体H2A.Z在FLC位点的沉积，进而促进拟南芥早花[5]。SDG7（SET DOMAIN-CONTAINING PROTEIN 7）作为甲基转移酶家族的成员，是开花调控途径中的表观因子之一。2015年Amasino课题组研究表明，SDG7是春化途径的负调控因子，其缺失可导致植物表现出超敏感的春化反应，在冷暴露期间更快地诱导VIN3（VERNALIZATION INSENSITIVE 3），在无冷条件下则导致长链非编码RNA水平升高，从而实现FLC的转录沉默[6]。尽管SDG7由经典的甲基转移酶功能结构域SET结构域构成，但其在组蛋白修饰中的作用尚未被揭示。

在本研究中，研究者首先过表达并纯化出SDG7蛋白，以体外重构核小体为底物，基于液相-质谱（LC-MS/MS）的定量酶活检测体系，系统地检测了SDG7对组蛋白H3的甲基化酶活，发现SDG7偏好催化组蛋白H3K36位点的三甲基化修饰。结合免疫印迹实验证实了SDG7是组蛋白H3K36me3修饰的“书写器”，但并不充当H3K4、H3K9和H3K27位点的三甲基转移酶。该结论在带有修饰的内源核小体上也得到了进一步验证（图1）。

图2. SDG7是H3K36me3修饰的甲基转移酶

sdg7缺失导致拟南芥提早开花，且能够逆转FRI等位基因的晚花表型，揭示了SDG7参与FLC依赖的开花时间调控途径。研究人员进一步通过酵母双杂交、Pull-down、双分子荧光互补和免疫共沉淀等实验，证实了SDG7和SWC6在体内体外均存在互作（图2）。

 图3. SDG7缺失导致早花表型且与SWC6存在互作

遗传学观察发现FRI sdg7 swc6双突变体与FRI swc6单突变体表型一致，且FLC的转录水平与开花表型一致，暗示SDG7和SWC6参与相同的开花调控途径。ChIP-PCR结果显示，FLC位点的H3K36me3修饰水平在FRI sdg7、FRI swc6和FRI sdg7 swc6突变体中均显著降低，在sdg7和 swc6突变体中回补SDG7，发现swc6缺失降低了SDG7蛋白在FLC位点的富集。与野生型相比， FRI sdg7突变体中FLC基因上组蛋白变体H2A.Z占位水平部分降低，然而FRI swc6和FRI sdg7 swc6突变体中的占位水平则明显降低，证实了SWC6对于FLC基因上H2A.Z和H3K36me3修饰的沉积是必要的（图3）。

图4. SDG7与SWC6通过组蛋白H3K36me3修饰

和H2A.Z变体协同参与调控FLC转录

综上所述，该研究首次揭示出组蛋白甲基转移酶SDG7的H3K36me3修饰活性，并通过与SWR1复合物亚基SWC6互作，影响FLC位点上组蛋白H3K36me3修饰的建立和组蛋白变体H2A.Z的沉积，由此调控拟南芥开花的分子机制。

清华大学医学院/北京生物结构前沿研究中心李海涛教授和中国科学技术大学生命科学学院丁勇教授为该文共同通讯作者。中国科学技术大学生命科学学院已毕业博士冀晓如和清华大学医学院博士生刘文倩为该论文共同第一作者。相关工作得到国家自然科学基金和中国科学院战略重点研究项目“植物生长发育分子机制”等项目资助。本课题得到了清华大学代谢质谱平台的支持与协助。

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science

/article/pii/S1673852723001224

转自：“水木未来资讯”微信公众号

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