突破！Nature Genetics：杜嘉木、鍾雪花合作團隊揭示植物開花調控新機制

編者按：組蛋白修飾（histone modification）是指組蛋白在相關酶作用下發生甲基化、乙醯化、磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP核糖基化等修飾的過程。其中，組蛋白甲基化是一種常見的、複雜的翻譯後修飾，在眾多生物學過程中起重要的調控作用。組蛋白被甲基化的位點是賴氨酸殘基或是和精氨酸殘基。賴氨酸殘基可以被單甲基化（Kme1）、雙甲基化（Kme2）或三甲基化（Kme3），而精氨酸殘基可以被單甲基化（Rme1）或雙甲基化（Rme2）。研究表明，賴氨酸甲基化是基因表達調控中一種較為穩定的標記，H3第4位的賴氨酸殘基甲基化（H3K4me3）與基因激活相關，而第27位賴氨酸甲基化與基因沉默相關（H3K27me3）。細胞內存在一類稱為「閱讀器 （reader）」的蛋白可以識別不同類型的組蛋白修飾，這類蛋白含有PHD鋅指、CW鋅指、ADD鋅指、Ankyrin重複等結構域，在表觀遺傳調控中發揮重要作用。

2018年8月6日，中國科學院分子植物卓越中心植物逆境生物學研究中心植物分子遺傳國家重點實驗室杜嘉木課題組與美國威斯康辛大學鍾雪花課題組合作在國際核心學術期刊Nature Genetics上發表了題為「EBS is a bivalent histone reader that regulates floral phase transition in Arabidopsis」的研究論文。該研究綜合利用結構生物學、生物化學、細胞生物學以及植物分子遺傳學等多種研究手段相結合的方式，揭示了組蛋白甲基化修飾「閱讀器」EARLY BOLTING IN SHORT DAYS（EBS）在擬南芥開花調控中的作用機制。

論文解讀：

組蛋白修飾屬於表觀遺傳學範疇，它與生命體的生老病死過程息息相關。其中賴氨酸甲基化修飾作為一種重要而廣泛的修飾方式而被深入的研究，不同組蛋白位點的賴氨酸甲基化有著不同的生理功能，其中組蛋白H3K4me3修飾表徵著基因的活化信號，而與之相反的是H3K27me3則表徵著基因的抑制信號。研究發現，在擬南芥中，EARLY BOLTING IN SHORT DAYS（EBS）通過抑制FT參與調控開花時間。EBS包含有兩個結構域，BAH結構域和PHD結構域，這兩個結構域通常都是組蛋白標記的識別因子。其中PHD結構域的功能是結合H3K4me3，而BAH結構域的功能則並不清楚。

在該項最新工作中，研究人員首先通過體外實驗證實，EBS可以結合組蛋白標記H3K4me3，有意思的是，EBS還可以同時結合具有相反功能的組蛋白標記H3K27me3，並且結合H3K27me3的親和力要高於結合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（圖1）。

圖1

令人感興趣的是，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（圖2）。當刪除C端的自抑制結構後，EBS結合H3K4me3的親和力將高於結合H3K27me3的親和力。體內實驗表明，EBS在染色質上也可以結合H3K4me3和H3K27me3，且與H3K27的甲基化酶CLF在基因組上的分布相似，EBS在基因體靠近轉錄起始位點附近的丰度較高。破壞EBS參與識別組蛋白H3K4me3或H3K27me3的關鍵氨基酸，甚至刪除自抑制結構後，突變體不能回補ebs早花的表型。因此，該研究證明了EBS作為一個分子開關，需要通過識別兩個功能相反的組蛋白修飾標記，以及準確的轉變其結合偏好性來確保開花時間的準確性。

圖2

值得一提的是，近日，杜嘉木、鍾雪花合作團隊在Nature Communications雜誌在線發表了題為「Dual recognition of H3K4me3 and H3K27me3 by a plant histone reader SHL」的研究論文，揭示了植物特有的組蛋白識別蛋白SHL通過自身BAH結構域和PHD結構域分別識別抑制性組蛋白修飾H3K27me3和活性組蛋白修飾H3K4me3的分子機制。（論文詳細介紹請查看公眾號推送的第二條內容）。

中國科學院植物逆境生物學研究中心杜嘉木課題組完成了結構以及生化部分的工作，美國威斯康辛大學鍾雪花課題組完成了遺傳和基因組方面的工作。逆境中心博士生楊振林是該輪文的共同第一作者，逆境中心杜嘉木研究員及威斯康辛大學麥迪遜分校鍾雪花博士為共同通訊作者。該項研究的完成受到科技部國家重點研發計劃，自然科學基金委以及中科院的經費資助。上海同步輻射光源國家蛋白質設施為晶體衍射數據的收集和處理提供幫助。威斯康辛大學生物技術中心協助完成了高通量測序工作。

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