PcG（Polycomb Group）家族蛋白形成兩個(gè)主要的復(fù)合體PRC（Polycomb Repressive Complex）1和2，分別介導(dǎo)H2Aub和H3K27me3來(lái)修飾染色質(zhì)，對(duì)基因的轉(zhuǎn)錄抑制和染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的調(diào)控有著至關(guān)重要的作用。與哺乳動(dòng)物等較為不同的是，在擬南芥的基因組上，H2Aub與H3K27me3并沒(méi)有完美的共定位，而存在較多的H2Aub單獨(dú)修飾的區(qū)域。這些基因組區(qū)域在空間上是否與H3K27me3修飾的區(qū)域共定位，以及如何參與PcG介導(dǎo)的基因抑制是仍未被探索的。除此以外，在擬南芥中，PRC2介導(dǎo)的H3K27me3被發(fā)現(xiàn)作用于抑制性染色質(zhì)環(huán)的形成，而PRC1介導(dǎo)的H2Aub在染色質(zhì)環(huán)層面的功能是不清楚的。
近日，基因功能研究與操控全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院、北京大學(xué)-清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心周岳課題組在Advanced Science上發(fā)表了題為“PRC1-Mediated H2Aub Loop Formation and Function in Arabidopsis”的研究論文。在擬南芥中系統(tǒng)性分析H2Aub富集區(qū)域參與形成的染色質(zhì)環(huán)，揭示了PRC1介導(dǎo)的H2Aub loop在空間上與H3K27me3共同形成PcG Hub結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)H2Aub loop的存在能夠抑制基因的表達(dá)。
周岳課題組根據(jù)野生型（Col-0）中H2Aub的分布，設(shè)計(jì)覆蓋幾乎所有H2Aub富集區(qū)域的RNA探針。通過(guò)Capture Hi-C的方法，用探針抓取與H2Aub富集區(qū)域相關(guān)的染色質(zhì)互作并進(jìn)行分析。研究結(jié)果顯示，H2Aub富集區(qū)域更傾向于與同樣富集H2Aub的區(qū)域在空間上互作，進(jìn)而形成染色質(zhì)環(huán)（H2Aub loop）。根據(jù)是否同時(shí)富集H3K27me3，H2Aub富集區(qū)域可以被進(jìn)一步劃分為只存在H2Aub修飾（only-H2Aub）和兩者共修飾（H2Aub/H3K27me3）的區(qū)域。本研究發(fā)現(xiàn)only-H2Aub區(qū)域并未單獨(dú)形成結(jié)構(gòu)，其在空間上并不排斥H3K27me3，而是與H2Aub/H3K27me3區(qū)域共同形成了PcG Hub的結(jié)構(gòu)。根據(jù)是否形成染色質(zhì)環(huán)以及形成何種染色質(zhì)環(huán)，H2Aub富集區(qū)域可以被進(jìn)一步劃分，比較其上基因表達(dá)，發(fā)現(xiàn)H2Aub loop的形成會(huì)抑制基因表達(dá)，雖然H3K27me3依然起到主要的抑制作用（圖1 A）。
此后，本研究使用PRC1復(fù)合體中兩類(lèi)泛素連接酶的突變體（bmi1a/b/c和ring1a/b），同樣進(jìn)行H2Aub的Capture Hi-C實(shí)驗(yàn)，觀察在H2Aub受到破壞時(shí)，H2Aub loop的變化情況。本研究比較發(fā)現(xiàn)，H2Aub的破壞，間接導(dǎo)致H3K27me3水平的下降，伴隨著H2Aub loop的大量消失。突變體中染色質(zhì)環(huán)的消失與其錨點(diǎn)處修飾水平的下降有顯著相關(guān)性。除此以外，野生型中錨點(diǎn)處修飾水平在突變體中變化程度大的染色質(zhì)環(huán)，更容易丟失。這些結(jié)果均表明適當(dāng)?shù)男揎椝剑?/span>H2Aub和H3K27me3）對(duì)H2Aub loop的維持是必須的。比較不同種類(lèi)錨點(diǎn)上基因表達(dá)的變化，本研究進(jìn)一步證明，H2Aub loop協(xié)同H2Aub/H3K27me3抑制基因的表達(dá)，并且修飾和染色質(zhì)環(huán)的共同丟失，會(huì)加劇基因的異常激活（圖1 B）。
最后，本研究發(fā)現(xiàn)正常的H2Aub loop結(jié)構(gòu)能夠阻止H2Aub富集區(qū)域與異染色質(zhì)區(qū)域之間的異常互作，以及H3K27me3富集區(qū)域之間的異常聚集。本研究還發(fā)現(xiàn)了bmi1a/b/c和ring1a/b兩類(lèi)泛素連接酶突變體內(nèi)H2Aub loop結(jié)構(gòu)變化的不同，暗示BMI1s和RING1s存在一定的功能差異（圖1 C）。
圖1 PRC1介導(dǎo)的H2Aub loop的形成機(jī)制及功能。A. H2Aub富集區(qū)域之間優(yōu)先相互作用，形成H2Aub loop，并且不排斥H3K27me3，從而在空間上形成PcG Hub結(jié)構(gòu)。H2Aub loop的形成抑制基因表達(dá)。B. H2Aub loop的維持需要適當(dāng)?shù)?/span>H2Aub/H3K27me3水平。H2Aub的破壞導(dǎo)致H2Aub loop的丟失，并加劇基因的異常激活。C. bmi1a/b/c和ring1a/b突變體內(nèi)染色質(zhì)環(huán)結(jié)構(gòu)變化存在差異。
北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院周岳研究員為本文通訊作者。北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院博士生駱凌瀟、楊敏琪，北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院博士生宋知涵，蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生劉亞麗為本文共同第一作者。北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院博士生肖蘇芯和北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院博士生王鼎岳同樣參與了工作。西班牙植物生物化學(xué)和光合作用研究所Myriam Calonje研究員、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院何航研究員也為本工作做出了重要貢獻(xiàn)。該研究得到科技創(chuàng)新2030-重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青年交叉團(tuán)隊(duì)、基因功能研究與操控全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院、北京大學(xué)-清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心的資助。
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