Plant Cell | 何新建實驗室發現擬南芥GTE4-EML復合體協同識別組蛋白乙酰化和H3K4me3修飾

2024年12月18日，Plant Cell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實驗室題為“The GTE4-EML chromatin reader complex concurrently recognizes histone acetylation and H3K4 trimethylation in Arabidopsis ”的研究論文，發現擬南芥形成GTE4-EML蛋白復合體識別兼具組蛋白乙酰化和H3K4me3修飾的靶基因，從而調控植物基因表達和生長發育。

真核生物染色質上的組蛋白修飾能夠調控染色質狀態和基因表達，組蛋白修飾往往通過它們的識別蛋白發揮調控作用。以往研究表明，組蛋白乙酰化修飾和H3K4me3修飾都與基因的活躍轉錄密切相關，然而這兩種修飾協同調控基因表達的關聯機制尚待研究。

本研究發現擬南芥GTE4蛋白中的Bromo結構域能夠特異識別組蛋白乙酰化修飾，其對組蛋白上不同賴氨酸位點的乙酰化基團的結合能力具有累加效應，并且對組蛋白H4乙酰化修飾的親和力遠高于對組蛋白H3乙酰化修飾的親和力。對Bromo結構域中保守氨基酸進行突變能夠完全阻斷其對組蛋白乙酰化修飾的識別能力，揭示了其對組蛋白乙酰化修飾識別能力的特異性(圖1)。  

圖1：GTE4通過識別組蛋白乙酰化修飾參與植物生長發育

進一步研究發現，GTE4能夠與兩個功能冗余的蛋白EML1和EML2 (EML1/2) 結合，形成GTE4-EML復合體，其中EML1/2所包含的Tudor結構域特異識別H3K4me3修飾。遺傳分析發現，eml1 eml2 (eml1/2) 雙突變體與gte4突變體具有相似的生長發育缺陷，且兩種突變體中的差異表達基因高度重疊，顯示GTE4和EML1/2通過形成復合體共同調控基因表達，從而參與植物的生長發育調控(圖2)。

圖2：GTE4和EML1/2共同調控基因表達和生長發育

通過染色質免疫沉淀結合測序分析，發現GTE4和EML2共同結合在基因組上兼具組蛋白乙酰化和H3K4me3修飾的靶基因上，二者對靶基因的結合相互促進。GTE4中Bromo結構域的突變顯著降低GTE4對靶基因的結合能力，揭示了Bromo結構域對組蛋白乙酰化修飾的識別參與了GTE4對靶基因的結合。此外，發現GTE4中的一個保守的a-螺旋結構域負責對EML1/2的結合，該a-螺旋結構域的敲除導致GTE4對靶基因的結合能力顯著降低(圖3)。這些結果表明，GTE4對組蛋白乙酰化修飾的識別與EML1/2對H3K4me3修飾的識別之間相互協同，共同決定了GTE4-EML復合體對靶基因的結合能力。

圖3：GTE4中的Bromo結構域和EML結合結構域協作參與靶向

綜上，本研究發現了組蛋白乙酰化修飾的識別蛋白GTE4能夠與H3K4me3修飾的識別蛋白EML1/2互作形成GTE4-EML蛋白復合體，闡明了該復合體在全基因組水平結合靶基因的分子機制，拓展了對真核生物中不同組蛋白修飾互作機制的認識。

何新建實驗室的錢鋒、趙強強、周進興、袁丹陽為論文的共同第一作者，何新建研究員為通訊作者。其他作者包括劉真真、蘇銀娜、李琳、陳涉研究員。該研究得到科技部和國家自然科學基金委的資助。