TUhjnbcbe - 2020/12/7 1:49:00
年11月18号，华威大学的JoseGutierres-Marcos在eLife上发表了一篇题为“Anewroleforhistonedemethylasesinthemaintenanceofplantgenomeintegrity”的研究论文，揭示了组蛋白去甲基化酶在维持植物基因组完整性方面的功能。研究背景核心蛋白复合体PRC2负责修饰组蛋白H3的一个关键赖氨酸（K27）的甲基化，其在大多数多细胞真核生物的生长、发育和对环境变化的适应能力中发挥着关键作用。在植物中，这种修饰存在于大约四分之一的蛋白质编码基因中，并在生长和发育过程中受到动态调控；相反的，PRCs的活性会被JMJ去甲基酶所抵消，便导致H3K27me3的特异性丧失。在拟南芥中，有五种组蛋白去甲基化酶（REF6,ELF6,JMJ13,JMJ30和JMJ32）参与了H3K27的去甲基化。之前对拟南芥研究发现ELF6、REF6和JMJ13对于重置和防止这种基因组印记遗传给后代是必要的。然而，这些基因组印记在有性生殖过程中被重置的程度仍然未知。主要研究结果1）由于一些早期的研究指出REF6被认为是H3K27me3去甲基化酶和基因表达的正调节因子，但是人们对ELF6的作用仍知之甚少。为了阐明这两个蛋白的功能，作者通过ChIP-seq分析了H3K27me3在elf6-C(缺失第一个外显子的CRISPR/Cas9的ELF6)、ref6-5(T-DNA插入功能丧失的REF6)和elf6-C/ref6-5(人工杂交得到elf6-C/ref6-5双突变株)幼苗中的分布，并与野生型中的分布进行了比较。其研究结果表明这些组蛋白去甲基化酶在拟南芥中控制H3K27me3稳态方面有部分重叠但又不同的作用,即拟南芥中REF6和ELF6在H3K27me3稳态中发挥不同的作用。2）作者为了证实REF6和ELF6可能也参与了H3K27me1的稳态，通过ChIP-seq分析确定了野生型H3K27me1的基因组分布以及H3K27me1在亚形突变体atxr5/atxr6中的基因组分布，便推测出H3K27me1在常染色质的维持可以由REF6介导。3）为了理解这种发生在植物有性繁殖过程中的表观遗传重置观点的生物学意义，在单组蛋白去甲基化酶突变体和野生型植物之间进行了交互杂交。推断这些出现在子代的发育缺陷可能是由于有性繁殖过程中H3K27me3复位缺陷导致elf6-C/ref6-5产生的表观基因组突变造成的；以及组蛋白去甲基化酶活性的丧失可能导致了表观基因组突变。为了验证其推断，作者从两个不同的F5后代(A5)进行育苗，并进行ChIP-seq分析，以确定H3K27me3在基因组中的分布。最终表明ELF6和REF6对于限制H3K27me3印记传递给后代是必要的，而如果不能做到这一点，就会导致表观基因组和发育异常。4）为了检测epiERs中发现的H3K27me3的异位积累是否会影响DNA甲基化，作者通过分别对之前用于ChIP-seq分析的两个F5后代(A5)以及对单个F4epiER植株进行了BS-seq分析。发现这两种被分析的epiERs在不同的品系和染色体之间的DNA甲基化水平上显示出显著的差异；H3K27me3的异位积累对转座子上DNA甲基化的沉积/维持有负面影响。为了评估这些缺陷可能影响染色质压实的程度，作者使用特异性抗体对间期细胞核进行免疫染色分析。这些数据表明，epiERs中H3K27me3的异位积累导致了着色粒区域的异染色质功能缺陷。5）为了研究epiERs中表观遗传标记的异常分布是否可能是这些植物发育异常的原因，作者进行了RNA-seq分析，以及根据GO分析显示，epi突变体中大多数的基因上调参与了生物应激反应。进一步，作者通过研究这些失调基因的染色体分布，其表明epiERs中表观遗传标记的异常分布导致了真色基因座和异色基因座的转录激活。为了证实植物内中心体周围的异染色质富含TEs，并受到DNA甲基化和其他表观基因组修饰的严格调控。作者通过最初使用的转录组数据来确定两个epiER后代中不同TEs的转录状态，以及确定了它们在不同epiERs中的拷贝数，以评估这些辅助因子中TEs的转录激活是否会导致迁移率的增加。其结果表明,在发育异常的植株中发现epiERs作用出现在可遗传的表观遗传改变和通过TE动员并重新插入到基因组的基因突变中。以图解文下图展示了在ELF6和REF6突变体(epiERs)中，组蛋白去甲基化酶在H3K27me1积累和表观突变形成中的作用。图示：深蓝色的圆圈表示甲基。C：胞核嘧啶。H3.X：H3的变种不是H3.1。卷曲的线代表闭合或不活跃的染色质。波浪线代表受转录抑制的多梳染色质。DNAMT:DNA甲基转移酶。褪色的形状表示酶含量低。图1图1为H3K27me1积累机制的模型。在体细胞内中心体周围的异染色质中，ATRX5/6以单步执行的方式将H3K27me1结合在含有H3K9me2的组蛋白上。在体细胞的常染色质中，PRC2复合物通过沉积H3K27me3将其结合在组蛋白上，再通过REF6的催化活性转化为H3K27me1。图2图2为epiERs的模型。在野生型体细胞的组成型异染色质中，DNA甲基化阻碍PRC2复合物沉积H3K27me3。在野生型植物配子中，DNA甲基化的重编程作用促进了PRC2复合物对H3K27me3的沉积，但这些基因印记被组蛋白去甲基化酶活性去除，从而允许DNA甲基化酶建立正常的甲基化水平。在elf6-C/ref6-5配子中，PRC2复合物沉积的H3K27me3在DNA甲基化重编程过程中积累，干扰DNA甲基转移酶的活性。通过招募LHP1和PRC2复合物，H3K27me3的异位积累扩散到侧边基因组区域。意义与展望该项研究揭示了在植物发育过程中，组蛋白去甲基化酶在维持基因组完整性和转录状态方面新的关键作用，以及在ELF6和REF6突变体(epiERs)中，组蛋白去甲基化酶在H3K27me1积累和表观突变形成中的相关作用和机制。这些数据和结果提供了大量的信息，也为未来对更多生物遗传中组蛋白的机制的研究的方法提供了建议。原文链接：