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科研進展

何新建課題組發現植物組蛋白甲基轉移酶與染色質重塑複合體協同作用的分子機制

發布時間:2021/07/30
  2021年7月16日,香港快三/清华大学生物医学交叉研究院何新建课题组在《The Plant Cell》在线发表了题为“COMPASS functions as a module of the INO80 chromatin remodeling complex to mediate histone H3K4 methylation in Arabidopsis”的研究论文。在该研究中,作者在模式植物拟南芥中发现,一类组蛋白甲基转移酶COMPASS复合体作为INO80染色质重塑复合体的一个模块,并且通过催化组蛋白H3K4甲基化的方式调控基因表达。7月22日,《The Plant Cell》在线发表题为“A COMPASS to guide vegetative growth and the floral transition”的评论文章,对此研究进行了亮点评论https://doi.org/10.1093/plcell/koab191。
INO80染色质重塑复合体是真核生物中一类保守的多亚基蛋白复合体,通过ATP酶活性水解ATP产生的能量来改变染色质结构,从而调控基因表达、DNA复制和DNA损伤修复等过程。INO80蛋白主要由N端结构域 (NTD)、保守的HSA结构域和ATP酶结构域构成。NTD在不同物种中分化程度较高,已知的物种中特异的INO80结合亚基都结合在NTD。NTD缺失并不影响INO80的ATP酶活性,如何发挥调控功能尚不清楚。以往的研究表明,植物中INO80蛋白参与植物生长、开花以及热形态建成等多个重要生物学过程。然而,植物中对于INO80复合体的研究还有多个基本科学问题有待回答。比如:植物中INO80复合体具体由哪些组分构成?存在哪些植物特异的INO80亚基?这些亚基作用的分子机制如何?

  該研究通過親和純化聯合質譜分析的方法系統地鑒定了擬南芥中INO80複合體的組分。研究發現,擬南芥INO80複合體至少包含26種蛋白亞基,其中部分亞基與動物相應亞基同源,其它亞基(INB1、INB2A、INB2B和INB3)爲植物所特有。有趣的是,組蛋白H3K4甲基轉移酶ATX4和ATX5所形成的COMPASS複合體能夠與INO80蛋白共純化,形成植物INO80複合體中特有的ATX4/5-COMPASS模塊,而同屬于ATX家族的ATX1、ATX2和ATX3在植物中形成獨立的COMPASS複合體,不與INO80複合體結合。進一步研究發現,ATX4/5-COMPASS複合體通過一個組蛋白去甲基化酶家族蛋白—JMJ24特異性的與INO80的NTD結合,且植物中特異亞基—INB蛋白也結合在INO80的NTD,而與動物INO80複合體亞基同源的其它蛋白則分別與INO80的三個結構域結合(圖1)。


图1. 拟南芥INO80复合体亚基结合模式图


  该研究表明,拟南芥INO80复合体的催化亚基INO80以及结合在INO80的NTD和ATP酶结构域的辅助亚基都能够促进植物的营养生长,它们的缺失会导致植株变小。与此一致,INO80的NTD及ATP酶结构域的缺失影响INO80转基因的互补功能,导致植株变小。这表明,在营养生长阶段,INO80复合体的NTD模块和ATP酶模块能够共同作用促进植物生长。在生殖生长阶段,NTD结构域及其结合亚基形成的NTD模块在短日照条件下抑制植物开花,而ATP酶结构域则促进植物开花。上述结果表明INO80的NTD具有不依赖ATP酶活性的调控作用,并对植物的正常生长发育以及开花至关重要。RNA-seq和H3K4me3 ChIP-seq分析结果显示,INO80的NTD能够通过其ATX4/5-COMPASS组分在特定靶基因上进行H3K4me3修饰,从而促进基因表达,且这一过程不依赖INO80的ATP酶活性(图2)。


图2. ATX4/5-COMPASS作为INO80的NTD结合模块促进基因表达


  綜上,該研究系統地鑒定了擬南芥中INO80複合體組分以及各亞基的結合模式,發現ATX4/5所形成的COMPASS複合體能夠作爲INO80的一個NTD結合模塊,通過催化NTD特定靶基因位點的H3K4me3,從而促進基因表達。包括ATX4/5-COMPASS組分在內的NTD模塊一方面與ATP酶模塊協同作用促進植物生長;另一方面以不依賴ATP酶活性的方式在短日照下抑制植物過早開花(圖2)。該研究揭示了植物在營養生長與生殖生長之間平衡的重要調控機制。
何新建课题组的博士研究生尚继云和鲁雨佳为本论文的共同第一作者,何新建研究员为通讯作者。其余作者包括陈涉研究员和蔡雪薇,苏银娜,冯超,李琳。该研究在香港快三完成。
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