染色質(zhì)修飾與重塑對于真核生物基因表達(dá)起著重要的調(diào)控作用。“春化作用”，即植物的“越冬記憶”，是植物中經(jīng)典的染色質(zhì)修飾介導(dǎo)環(huán)境信號響應(yīng)的表觀遺傳調(diào)控范例。在十字花科模式植物越冬擬南芥的春化過程中，長期持續(xù)低溫（寒冬）沉默成花轉(zhuǎn)變的抑制基因FLC的表達(dá)，春季升溫后，這種沉默狀態(tài)被穩(wěn)定維持，賦予植物“冬季低溫的表觀遺傳記憶 (epigenetic memory of winter cold)”，從而使越冬擬南芥能在春季開花結(jié)實。冷處理之前，FLC位點的染色質(zhì)處于高度激活狀態(tài)，富含組蛋白H3第4位賴氨酸的三甲基化（H3K4me3）以及第36位賴氨酸的三甲基化（H3K36me3）等轉(zhuǎn)錄激活性修飾。冬季長期低溫的處理誘導(dǎo)該位點染色質(zhì)形成富含轉(zhuǎn)錄抑制性的H3K27me3修飾的多梳沉默域(Polycomb domain)。然而，激活狀態(tài)的染色質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槌聊瑺顟B(tài)的調(diào)控機(jī)理仍不清楚。
2023年3月14日，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心何躍輝研究組在Molecular Cell在線發(fā)表了題為A pair of readers of bivalent chromatin mediate formation of Polycomb-based‘memory of cold’ in plants的研究論文，報道了擬南芥中兩個植物特有的二價組蛋白標(biāo)記閱讀蛋白識別FLC位點特定調(diào)控區(qū)域的二價染色質(zhì)，驅(qū)動植物“越冬記憶”形成的分子與表觀遺傳機(jī)制。
冬季長期持續(xù)低溫誘導(dǎo)Polycomb Group (PcG) 染色質(zhì)修飾因子在FLC位點的積累。此前的研究發(fā)現(xiàn)，FLC基因內(nèi)部含有一段長約500bp的“Polycomb沉默成核區(qū) (Polycomb nucleation region)”，位于第一個外顯子和內(nèi)含子連接區(qū)域的附近【1】。何躍輝團(tuán)隊早期的研究報道了成核區(qū)內(nèi)47-bp的 “低溫記憶元件 (cold memory element，CME)” 介導(dǎo)FLC位點“冬季低溫記憶”形成的重要功能【2】。本項研究發(fā)現(xiàn)CME所處的染色質(zhì)區(qū)域，無論是在春化前還是春化后都處于H3K4me3和H3K27me3共存的二價狀態(tài)，該區(qū)域的二價染色質(zhì)可以被兩個植物特有的同源組蛋白標(biāo)記閱讀蛋白EBS (EARLY BOLTING IN SHORT DAYS) 和SHL (SHORT LIFE) 識別。EBS和SHL可以通過BAH結(jié)構(gòu)域識別H3K27me3，及PHD結(jié)構(gòu)域識別H3K4me3【3,4】。然而由于蛋白結(jié)構(gòu)域之間的空間限制，EBS或SHL結(jié)合二價染色質(zhì)的能力未定（單個蛋白無法同時結(jié)合H3K27me3和 H3K27me3）【4,5】。本項研究發(fā)現(xiàn)EBS和SHL可以形成同源或異源二聚體，從而識別CME區(qū)域的二價染色質(zhì)，招募冷特異的H3K27甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合體VIN3-PRC2。此外，EBS和SHL還與識別CME序列的DNA結(jié)合蛋白VAL1互作，協(xié)同促進(jìn)VIN3-PRC2在CME區(qū)域的富集，介導(dǎo)CME區(qū)域H3K27me3修飾的增加。升溫后，EBS和SHL介導(dǎo)PRC2擴(kuò)散至整個FLC位點，催化并持續(xù)維持H3K27me3修飾；CME區(qū)的二價染色質(zhì)和基因體其它區(qū)域的H3K27me3共同構(gòu)成FLC位點穩(wěn)定的多梳沉默域 (Polycomb domain)，賦予植物“越冬記憶”（圖1）。
圖1. 春化過程中EBS和SHL識別FLC位點CME區(qū)域的二價染色質(zhì)，驅(qū)動多梳沉默域的形成，從而抑制FLC表達(dá)。
綜上所述，該研究揭示了CME區(qū)域的二價修飾及其閱讀蛋白EBS和SHL驅(qū)動冷誘導(dǎo)的FLC染色質(zhì)狀態(tài)由激活到沉默的轉(zhuǎn)變過程，揭示了擬南芥“越冬記憶”形成的分子與表觀遺傳調(diào)控機(jī)制，并為植物響應(yīng)環(huán)境信號而轉(zhuǎn)變二價染色質(zhì)位點的修飾狀態(tài)，并改變基因表達(dá)的調(diào)控模式提供了范例 (paradigm)。
北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心何躍輝教授為該論文的通訊作者，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院博士后高政和中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心的助理研究員李亞肖為共同第一作者。北京大學(xué)藕陽等參與了該研究。該研究得到了國家自然科學(xué)基金，北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點實驗室以及中國科學(xué)院相關(guān)經(jīng)費的資助。
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論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.molcel.2023.02.014