清華新聞網(wǎng)10月10日電 真核生物染色質(zhì)中，組蛋白末端的共價(jià)翻譯后修飾（如乙酰化、甲基化、泛素化等）對(duì)調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄、DNA復(fù)制等過(guò)程具有重要作用。其中，組蛋白乙?；c組蛋白H3K4me3修飾常與基因活躍轉(zhuǎn)錄相關(guān)，而H3K27me3修飾則發(fā)揮轉(zhuǎn)錄抑制作用。前期研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥中存在兼具組蛋白乙酰化和H2A去泛素化功能的PEAT復(fù)合體，其與基因轉(zhuǎn)錄激活密切相關(guān)，且包含功能冗余的DNA結(jié)合蛋白TRB1和TRB2。此外，TRB蛋白可結(jié)合H3K4me3去甲基化酶JMJ14，以及負(fù)責(zé)H3K27me3修飾的PRC2復(fù)合體組分。然而，TRB蛋白如何整合不同復(fù)合體功能，在全基因組層面協(xié)調(diào)不同組蛋白修飾，是領(lǐng)域內(nèi)尚待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
北京時(shí)間10月6日，北京生命科學(xué)研究所/清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院何新建實(shí)驗(yàn)室在《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）在線(xiàn)發(fā)表了題為“擬南芥TRB蛋白形成兩個(gè)密切相關(guān)的復(fù)合物介導(dǎo)H3K4me3去甲基化和轉(zhuǎn)錄抑制”（Arabidopsis TRB proteins form two closely related complexes to mediate H3K4me3 demethylation and transcriptional repression）的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)了擬南芥中兩種緊密關(guān)聯(lián)的新型復(fù)合體TRHT和TRHD，揭示了它們協(xié)同其他組蛋白修飾介導(dǎo)組蛋白H3K4me3去甲基化的分子機(jī)制。
該研究通過(guò)蛋白親和純化結(jié)合質(zhì)譜分析（AP-MS）系統(tǒng)鑒定出TRB1、TRB2、TRB3（TRB1/2/3）的結(jié)合蛋白，證實(shí)TRB1/2/3不僅參與PEAT復(fù)合體和PRC2復(fù)合體的形成，還能組裝成兩種功能冗余的新型復(fù)合體：TRHT（包含TRB1/2/3、ICU11和HTH1/2/3）與TRHD（包含TRB1/2/3、ICU11、JMJ14、NAC050/052和ZDP2），其中TRB1/2/3和ICU11是這兩個(gè)復(fù)合體的共有亞基（圖1A）。隨后，研究利用酵母雙雜交、體外pull-down等實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步明確了兩個(gè)復(fù)合體各組分之間的相互作用模式（圖1B）。
圖1.TRHT/TRHD復(fù)合體組分間結(jié)合方式
為探究TRHT/TRHD復(fù)合體在全基因組水平的作用，該研究通過(guò)染色質(zhì)免疫沉淀測(cè)序（ChIP-seq），比較了TRHT、TRHD、PEAT和PRC2這幾類(lèi)包含TRB蛋白的復(fù)合體在全基因組的分布。結(jié)果顯示，盡管TRHT和TRHD具有特異亞基，但是二者在全基因組水平共同占據(jù)大量靶基因，且其分布與PEAT、PRC2復(fù)合體顯著不同，凸顯TRHT/TRHD復(fù)合體的獨(dú)特性。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，TRHT/TRHD與PEAT的靶基因重疊水平較高，共享大量共同靶基因，而與PRC2的靶基因重疊水平較低（圖2）。
在功能機(jī)制上，研究發(fā)現(xiàn)TRHT/TRHD 靶基因呈中等水平的H3K4me3修飾，介于具有高水平H3K4me3修飾的PEAT靶基因與低水平H3K4me3修飾的PRC2靶基因之間。TRHT/TRHD可通過(guò)JMJ14介導(dǎo)的H3K4me3去甲基化抑制基因表達(dá)，且這種調(diào)控具有染色質(zhì)環(huán)境依賴(lài)性。當(dāng)靶基因同時(shí)被PRC2識(shí)別時(shí)，H3K4me3去甲基化作用顯著增強(qiáng)；而在與PEAT共享的靶基因中，該作用則被抑制，表明TRHT/TRHD的H3K4me3去甲基化功能受所在區(qū)域其他組蛋白修飾的動(dòng)態(tài)調(diào)控。
圖2.TRHT/TRHD復(fù)合體組分在靶基因上的富集信號(hào)
研究進(jìn)一步結(jié)合ChIP-seq、電泳遷移率變動(dòng)分析（EMSA）和等溫滴定量熱法（ITC）等多種實(shí)驗(yàn)，揭示了TRHT/TRHD結(jié)合基因組上特定靶位點(diǎn)的分子機(jī)制。TRB蛋白通過(guò)N端的Myb結(jié)構(gòu)域識(shí)別特定的DNA基序，NAC050/052作為轉(zhuǎn)錄抑制因子結(jié)合另一類(lèi)DNA基序，二者協(xié)同作用增強(qiáng)復(fù)合體與靶位點(diǎn)的結(jié)合能力；HTH1則以非序列依賴(lài)的方式輔助結(jié)合DNA，確保復(fù)合體與靶位點(diǎn)結(jié)合的高效性（圖3）。此外，TRB1的Myb結(jié)構(gòu)域?qū)?fù)合體的生物學(xué)功能至關(guān)重要，缺失后會(huì)令擬南芥出現(xiàn)嚴(yán)重發(fā)育缺陷，證實(shí)其是維持復(fù)合體功能的核心元件。
圖3.TRHT/TRHD復(fù)合體工作模式圖
綜上，研究發(fā)現(xiàn)TRB家族蛋白所形成的兩種新型蛋白復(fù)合體，闡明了它們與PEAT、PRC2復(fù)合體協(xié)同作用模式，揭示了植物對(duì)多種染色質(zhì)修飾的協(xié)同調(diào)控機(jī)制，為理解植物復(fù)雜性狀的表觀(guān)遺傳調(diào)控提供了全新視角。
北京生命科學(xué)研究所/清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院何新建實(shí)驗(yàn)室2021級(jí)博士生王琪為論文第一作者，何新建研究員為論文通訊作者。研究得到科技部和國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助。
論文鏈接：
http://doi.org/10.1002/advs.202503420
供稿：生物醫(yī)學(xué)交叉研究院
編輯：李華山
審核：郭玲
