Plant Cell | 北京大学钱伟强实验室与合作者揭示MBD-ACD蛋白复合体调控拟南芥45S rDNA表达的分子机制

责编 | 王一

rDNA（Ribosome DNA）即核糖体DNA，主要用于编码核糖体RNA（Ribosome RNA，rRNA），是控制细胞核糖体生物合成的串联重复基因，能够调控细胞内的蛋白翻译，与细胞生长和代谢密切相关。真核生物基因组编码大量的45S rRNA基因，这些45S rRNA基因以串联重复的方式在基因组上分布，组成核仁组织区域（NORs）。rRNA基因的表达在动植物中与多种生命活动密切相关，如植物的开花、动物的X染色体失活等。其中在拟南芥2号和4号染色体上臂末端分别有NOR2和NOR4，已有的研究表明NOR2在植物萌发一周10天以后开始被表观机制沉默。rDNA在染色质中的表达存在明显的选择性，受到如DNA甲基化、组蛋白乙酰化、染色质重塑等的调控。其中DNA甲基化作为一种非常重要的表观遗传学标记，被证明参与调控远缘杂交四倍体中45S rDNA的表达，但是目前关于二倍体拟南芥中DNA甲基化对rDNA调控机制的研究相对较少，具体的调控机制尚不清楚。

2023年12月14日，北京大学现代农学院钱伟强实验室联合复旦大学/华南农业大学王应祥实验室在The Plant Cell期刊在线发表了题为“The MBD-ACD methylation reader complex recruits MICRORCHIDIA6 to regulate rRNA gene expression in Arabidopsis”的研究论文，对二倍体拟南芥中DNA识别蛋白MBD和ACD组成的蛋白复合体调控rDNA的表达进行了深入的研究。该研究鉴定了一个识别DNA甲基化的蛋白复合体，并证明该蛋白复合体通过招募MORC6蛋白调控拟南芥45S rRNA基因的表达。

该研究首先通过免疫沉淀-质谱联用（IP-MS）技术鉴定到了MBD5和MBD6的两个互作蛋白ACD15.5和ACD21.4，并通过一系列的蛋白互作实验证明MBD和ACD蛋白形成一个大的蛋白复合体，并通过半荧光定量（RT-PCR）和荧光原位杂交（DNA-FISH）表明这个蛋白复合体可以和45S rDNA很好地共定位，并参与调控45S rDNA的表达，且MBD5和MBD6存在一定程度上的功能冗余。

进一步的实验表明MBD和ACD都可以在体内和体外发生明显的相分离现象，将ACD突变或者将MBD和ACD蛋白互相转入对方的突变体中，其相分离的能力消失同时蛋白定位也发生了明显的紊乱，这表明MBD和ACD的复合体保持完整对于它们的正确定位和正常行使功能都非常重要。用DNA甲基化抑制剂5-azacytidine或组蛋白去乙酰化抑制剂Trichostatin A处理后，MBD和ACD的定位以及VAR表达都发生了明显的变化，表明DNA甲基化和组蛋白乙酰化在调控45S rDNA表达的过程中也起到非常重要的作用。

最后，该研究通过突变体筛选，发现MBD-ACD复合体能够招募染色质重塑因子MORC6。在morc6突变体背景下，MBD-ACD复合体的定位和相分离能力都没有发生改变，因此MORC6是作为MBD-ACD的下游发挥作用。当MORC6被MBD-ACD招募到45S rDNA上，然后通过改变染色质的凝集状态，最终使得45S rDNA的表达发生了变化。

北京大学现代农业研究院/北京大学现代农学院任志彤博士（现任四川农业大学农学院副教授），北京大学生命科学学院在读博士生勾润宇，已毕业博士生卓婉清和复旦大学/华南农业大学陈芷郁博士为该论文的共同第一作者，北京大学现代农学院钱伟强研究员为论文的通讯作者。该研究项目得到国家自然科学基面上项目等的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koad313