中国农科院农业基因组所张翠军团队揭示SANT蛋白调控植物耐热性的新机制

近日，中国农业科学院农业基因组研究所张翠军课题组在Plant Physiology上发表了题为“SANT proteins modulate gene expression by coordinating histone H3KAc and Khib levels and regulate plant heat tolerance”的研究论文，该研究发现，除了调节组蛋白乙酰化修饰（H3KAc），拟南芥中Harbinger转座子衍生蛋白（SANT1/2/3/4，后续称为SANT蛋白）也能够参与调节组蛋白2-羟基异丁酰化修饰（Khib）来调控基因的表达。另外，在正常生长和热胁迫条件下，SANT1/2/3/4突变（sant-null）导致热诱导基因的H3Kac修饰水平及表达升高，植物耐热性增强。该研究揭示了植物中SANT蛋白参与组蛋白翻译后修饰及植物耐热性调控的分子机制，为植物耐高温改良提供了理论依据和新的靶点。

在真核细胞中，组蛋白受到多种翻译后修饰，如乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化以及新型修饰赖氨酸2-羟基异丁酰化等。HDA6和HDA9是在模式植物拟南芥中发现的重要的组蛋白去乙酰化酶，能够通过组蛋白去乙酰化调节基因的表达。近期研究表明，HDA6和HDA9也能在组蛋白去Khib修饰中起到催化作用（Zheng et al., 2021）。转座子是一种重复序列，在动植物基因组中占有重要地位。植物中的PIF/Harbinger转座子衍生蛋白在表观遗传调控以及宿主基因表达调节中起到重要作用。张翠军团队前期研究发现，拟南芥中PIF/Harbinger转座子编码的SANT结构域衍生蛋白能与HDA6形成复合体调控特异位点的组蛋白去乙酰化和基因表达水平（Zhou et al., 2021）。然而，植物中SANT蛋白能否调节靶位点组蛋白去Khib修饰，以及SANT蛋白能否通过表观遗传调控参与到特定的胁迫响应过程中，目前并不清楚。

该研究通过组蛋白Khib ChIP-seq以及RNA-seq联合分析发现，拟南芥中SANT蛋白参与调控组蛋白Khib修饰，并且sant-null介导的靶基因转录激活与其较高的组蛋白Khib水平相关。结合前期的H3KAc ChIP-seq数据，该研究发现，作为转录激活的表观修饰标记，SANT蛋白调控的H3KAc和组蛋白Khib修饰以协同而非拮抗的方式维持了sant-null突变体的高转录水平，其中H3KAc起着主导作用。另外，sant-null中一小部分上调基因的H3KAc水平并未升高，然而这些位点却能与SANT蛋白直接结合并且组蛋白Khib水平升高，表明组蛋白 Khib 在这些位点的转录激活中起作用。

进一步通过对sant-null中差异表达基因的GO富集分析发现，SANT蛋白参与到植物胁迫响应的过程中，其中包括对热响应基因HTT1和HTT4的表达调控。热胁迫处理后，与野生型相比，sant-null表现出明显的耐热性。利用正常温度以及热胁迫下的RNA-seq数据以及ChIP-qPCR分析发现，部分热诱导基因在sant-null中H3KAc水平及基因表达水平升高，而组蛋白Khib水平保持不变。另外，正常温度以及热胁迫下的SANT3-Flag ChIP-qPCR结果表明SANT3能与部分热诱导基因直接结合。以上结果说明SANT结构域蛋白能通过结合并调节靶基因组蛋白乙酰化修饰参与调控植物耐热性。

图1 Harbinger转座子衍生蛋白SANT1/2/3/4负调控植物耐热性的机制

中国农科院农业基因组研究所张翠军研究员为本论文通讯作者，助理研究员周惜时为第一作者，Justin Goodrich教授及朱健康院士对本研究给予了重要指导。该研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究区域联合基金以及深圳市科技创新委员会的资助。

参考文献：

1. Zheng, L., Li, C., Ma, X., Zhou, H., Liu, Y., Wang, P., Yang, H., Tamada, Y., Huang, J., Wang, C., et al. (2021). Functional interplay of histone lysine 2-hydroxyisobutyrylation and acetylation in Arabidopsis under dark-induced starvation. Nucleic Acids Research 49(13) : 7347-7360.

2. Zhou, X., He, J., Velanis, C.N., Zhu, Y., He, Y., Tang, K., Zhu, M., Graser, L., Leau, E.d., Wang, X., et al. (2021). A domesticated Harbinger transposase forms a complex with HDA6 and promotes histone H3 deacetylation at genes but not TEs in Arabidopsis. Journal of Integrative Plant Biology 63(8): 1462–1474.

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiae348