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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復合體協同作用的分子機制

發布時間:2021/07/30
  2021年7月16日,北京生命科學研究所/清華大學生物醫學交叉研究院何新建課題組在《The Plant Cell》在線發表了題為“COMPASS functions as a module of the INO80 chromatin remodeling complex to mediate histone H3K4 methylation in Arabidopsis”的研究論文。在該研究中,作者在模式植物擬南芥中發現,一類組蛋白甲基轉移酶COMPASS復合體作為INO80染色質重塑復合體的一個模塊,并且通過催化組蛋白H3K4甲基化的方式調控基因表達。7月22日,《The Plant Cell》在線發表題為“A COMPASS to guide vegetative growth and the floral transition”的評論文章,對此研究進行了亮點評論https://doi.org/10.1093/plcell/koab191。
INO80染色質重塑復合體是真核生物中一類保守的多亞基蛋白復合體,通過ATP酶活性水解ATP產生的能量來改變染色質結構,從而調控基因表達、DNA復制和DNA損傷修復等過程。INO80蛋白主要由N端結構域 (NTD)、保守的HSA結構域和ATP酶結構域構成。NTD在不同物種中分化程度較高,已知的物種中特異的INO80結合亞基都結合在NTD。NTD缺失并不影響INO80的ATP酶活性,如何發揮調控功能尚不清楚。以往的研究表明,植物中INO80蛋白參與植物生長、開花以及熱形態建成等多個重要生物學過程。然而,植物中對于INO80復合體的研究還有多個基本科學問題有待回答。比如:植物中INO80復合體具體由哪些組分構成?存在哪些植物特異的INO80亞基?這些亞基作用的分子機制如何?

  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復合體的組分。研究發現,擬南芥INO80復合體至少包含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)為植物所特有。有趣的是,組蛋白H3K4甲基轉移酶ATX4和ATX5所形成的COMPASS復合體能夠與INO80蛋白共純化,形成植物INO80復合體中特有的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復合體,不與INO80復合體結合。進一步研究發現,ATX4/5-COMPASS復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復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)。


圖1. 擬南芥INO80復合體亞基結合模式圖


  該研究表明,擬南芥INO80復合體的催化亞基INO80以及結合在INO80的NTD和ATP酶結構域的輔助亞基都能夠促進植物的營養生長,它們的缺失會導致植株變小。與此一致,INO80的NTD及ATP酶結構域的缺失影響INO80轉基因的互補功能,導致植株變小。這表明,在營養生長階段,INO80復合體的NTD模塊和ATP酶模塊能夠共同作用促進植物生長。在生殖生長階段,NTD結構域及其結合亞基形成的NTD模塊在短日照條件下抑制植物開花,而ATP酶結構域則促進植物開花。上述結果表明INO80的NTD具有不依賴ATP酶活性的調控作用,并對植物的正常生長發育以及開花至關重要。RNA-seq和H3K4me3 ChIP-seq分析結果顯示,INO80的NTD能夠通過其ATX4/5-COMPASS組分在特定靶基因上進行H3K4me3修飾,從而促進基因表達,且這一過程不依賴INO80的ATP酶活性(圖2)。


圖2. ATX4/5-COMPASS作為INO80的NTD結合模塊促進基因表達


  綜上,該研究系統地鑒定了擬南芥中INO80復合體組分以及各亞基的結合模式,發現ATX4/5所形成的COMPASS復合體能夠作為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。
何新建課題組的博士研究生尚繼云和魯雨佳為本論文的共同第一作者,何新建研究員為通訊作者。其余作者包括陳涉研究員和蔡雪薇,蘇銀娜,馮超,李琳。該研究在北京生命科學研究所完成。
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