突破！Nature Genetics：杜嘉木、钟雪花合作团队揭示植物开花调控新机制

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编者按：组蛋白修饰（histone modification）是指组蛋白在相关酶作用下发生甲基化、乙酰化、磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP核糖基化等修饰的过程。其中，组蛋白甲基化是一种常见的、复杂的翻译后修饰，在众多生物学过程中起重要的调控作用。组蛋白被甲基化的位点是赖氨酸残基或是和精氨酸残基。赖氨酸残基可以被单甲基化（Kme1）、双甲基化（Kme2）或三甲基化（Kme3），而精氨酸残基可以被单甲基化（Rme1）或双甲基化（Rme2）。研究表明，赖氨酸甲基化是基因表达调控中一种较为稳定的标记，H3第4位的赖氨酸残基甲基化（H3K4me3）与基因激活相关，而第27位赖氨酸甲基化与基因沉默相关（H3K27me3）。细胞内存在一类称为“阅读器 （reader）”的蛋白可以识别不同类型的组蛋白修饰，这类蛋白含有PHD锌指、CW锌指、ADD锌指、Ankyrin重复等结构域，在表观遗传调控中发挥重要作用。

2018年8月6日，中国科学院分子植物卓越中心植物逆境生物学研究中心植物分子遗传国家重点实验室杜嘉木课题组与美国威斯康辛大学钟雪花课题组合作在国际核心学术期刊Nature Genetics上发表了题为“EBS is a bivalent histone reader that regulates floral phase transition in Arabidopsis”的研究论文。该研究综合利用结构生物学、生物化学、细胞生物学以及植物分子遗传学等多种研究手段相结合的方式，揭示了组蛋白甲基化修饰“阅读器” EARLY BOLTING IN SHORT DAYS（EBS）在拟南芥开花调控中的作用机制。

论文解读：

组蛋白修饰属于表观遗传学范畴，它与生命体的生老病死过程息息相关。其中赖氨酸甲基化修饰作为一种重要而广泛的修饰方式而被深入的研究，不同组蛋白位点的赖氨酸甲基化有着不同的生理功能，其中组蛋白H3K4me3修饰表征着基因的活化信号，而与之相反的是H3K27me3则表征着基因的抑制信号。研究发现，在拟南芥中，EARLY BOLTING IN SHORT DAYS（EBS）通过抑制 FT 参与调控开花时间。EBS包含有两个结构域，BAH结构域和PHD结构域，这两个结构域通常都是组蛋白标记的识别因子。其中PHD结构域的功能是结合H3K4me3，而BAH结构域的功能则并不清楚。

在该项最新工作中，研究人员首先通过体外实验证实，EBS可以结合组蛋白标记H3K4me3，有意思的是，EBS还可以同时结合具有相反功能的组蛋白标记H3K27me3，并且结合H3K27me3的亲和力要高于结合H3K4me3的亲和力。进一步的结构生物学研究发现，EBS的BAH结构域通过识别肽段H3K27me3的甲基化赖氨酸和第30位的脯氨酸来实现序列选择的特异性（图1）。

图1

令人感兴趣的是，EBS可以通过C端一段含有脯氨酸的无规则结构以自抑制的方式抑制PHD结构域结合H3K4me3（图2）。当删除C端的自抑制结构后，EBS结合H3K4me3的亲和力将高于结合H3K27me3的亲和力。体内实验表明，EBS在染色质上也可以结合H3K4me3和H3K27me3，且与H3K27的甲基化酶CLF在基因组上的分布相似，EBS在基因体靠近转录起始位点附近的丰度较高。破坏EBS参与识别组蛋白H3K4me3或H3K27me3的关键氨基酸，甚至删除自抑制结构后，突变体不能回补ebs早花的表型。因此，该研究证明了EBS作为一个分子开关，需要通过识别两个功能相反的组蛋白修饰标记，以及准确的转变其结合偏好性来确保开花时间的准确性。

图2

值得一提的是，近日，杜嘉木、钟雪花合作团队在Nature Communications 杂志在线发表了题为“Dual recognition of H3K4me3 and H3K27me3 by a plant histone reader SHL”的研究论文，揭示了植物特有的组蛋白识别蛋白SHL通过自身BAH结构域和PHD结构域分别识别抑制性组蛋白修饰H3K27me3和活性组蛋白修饰H3K4me3的分子机制。（论文详细介绍请查看公众号推送的第二条内容）。

中国科学院植物逆境生物学研究中心杜嘉木课题组完成了结构以及生化部分的工作，美国威斯康辛大学钟雪花课题组完成了遗传和基因组方面的工作。逆境中心博士生杨振林是该轮文的共同第一作者，逆境中心杜嘉木研究员及威斯康辛大学麦迪逊分校钟雪花博士为共同通讯作者。该项研究的完成受到科技部国家重点研发计划，自然科学基金委以及中科院的经费资助。上海同步辐射光源国家蛋白质设施为晶体衍射数据的收集和处理提供帮助。威斯康辛大学生物技术中心协助完成了高通量测序工作。

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