Molecular Plant | 何新建課題組發現擬南芥AL蛋白介導植物組蛋白H3K4me3和H2Aub修飾之間偶聯

2024年12月11日，Molecular Plant在線發表了北京生命科學研究所/清華大學生物醫學交叉研究院何新建課題組題為“ALFIN-like proteins link histone H3K4me3 with H2A ubiquitination and coordinate diverse chromatin modifications in Arabidopsis ”的研究論文，發現擬南芥中識別組蛋白H3K4me3修飾的ALFIN-like (AL) 蛋白作為PRC1復合體亞基促進H2Aub修飾，從而在全基因組水平建立H3K4me3與H2Aub修飾之間的偶聯。

真核生物中組蛋白翻譯后修飾能夠通過影響染色質狀態調控基因的轉錄。以往的研究表明，與動物中不同，植物中與轉錄抑制關聯的組蛋白H2A單泛素修飾(H2Aub)在轉錄活躍基因上大量富集，然而富集的分子機制尚不清楚。AL蛋白家族是植物所特有，這類蛋白所具有的PHD結構域能夠識別H3K4me3修飾，該修飾與基因的轉錄活躍相關聯。本研究對擬南芥中的AL1~AL7七個蛋白進行了系統研究。利用T-DNA突變、CRISPR/Cas9誘導突變和遺傳雜交，獲得了單突體和不同組合的多突變體。研究表明，單突變體沒有明顯的生長發育表型，多突變表現明顯的早花，而高階多突變體出現明顯的生長發育缺陷乃至致死，這表明擬南芥不同AL蛋白之間功能冗余，對植物的生長發育至關重要(圖1)。

圖1：AL蛋白調控植物開花時間和生長發育

為了探究AL蛋白作用的分子機制，對擬南芥七個AL蛋白進行親和純化結合質譜分析，鑒定它們的結合蛋白。結果表明，AL蛋白能夠與許多染色質相關蛋白或蛋白復合體互作(圖2)。深入研究表明，AL蛋白N端的PAL結構域負責與這些染色質相關蛋白結合，而C-端的PHD結構域不是結合所必需。ChIP-seq分析表明，PAL和PHD這兩個結構域對于AL蛋白在全基因組水平上與靶基因結合都具有重要作用。特別地，其中PHD結構域特異負責將AL蛋白招募到具有較高H3K4me3水平的靶基因上。

圖2：AL蛋白與多種染色質相關蛋白互作

本研究發現擬南芥AL蛋白主要在全基因組水平負責促進H2Aub修飾，是PRC1復合體的植物特異亞基，在具有較高H3K4me3水平的靶基因上促進H2Aub修飾，從而抑制這些基因的轉錄活性狀態。利用擬南芥中負責H3K4me3修飾關鍵酶SDG2的突變體，進一步明確了H3K4me3與H2Aub修飾之間在全基因組水平上的上下游關系，闡明了AL蛋白在偶聯這兩種修飾之間的關鍵作用。此外，本研究還發現AL蛋白能夠通過與其他多種染色質相關蛋白或蛋白復合體互作用參與調控H2A.Z組裝、組蛋白修飾和染色質開放，揭示了AL蛋白功能的多樣性(圖3)。

綜上，本研究發現了植物特異的H3K4me3與H2Aub修飾在全基因組范圍內偶聯的分子機制，揭示了H3K4me3修飾與其他多種染色質修飾之間聯系，為深入理解不同染色質修飾之間的關聯機制奠定了基礎。

圖3：AL蛋白的工作模型

何新建課題組的博士研究生蘇小敏為該論文的第一作者，何新建研究員為通訊作者。其他作者包括北京生命科學研究所的袁丹陽、劉娜、張釗晨、李琳、陳涉研究員、北京大學現代農學院的楊敏琪、周岳研究員。該研究得到科技部和國家自然科學基金委的資助。