Developmental Cell | 中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所姜丹華團(tuán)隊(duì)揭示植物組蛋白的“防誤觸”機(jī)制

在真核生物中，DNA纏繞在組蛋白周圍形成染色質(zhì)，而組蛋白變體的替換則像“換裝”一樣精細(xì)調(diào)控著染色質(zhì)的功能狀態(tài)。H3.1和H3.3是H3家族的兩個(gè)主要成員，雖然它們序列差異極小，卻有著截然不同的功能定位：H3.3偏好富集在活躍轉(zhuǎn)錄的基因區(qū)域。有趣的是，動(dòng)物和植物雖然都保留了H3.3這一功能，卻在進(jìn)化中選擇了不同的氨基酸策略——?jiǎng)游颒3.3的第31位是絲氨酸(S)，植物卻是蘇氨酸(T)。這一差異背后究竟隱藏著怎樣的生物學(xué)奧秘？

近日，新加坡淡馬錫生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的/中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所姜丹華團(tuán)隊(duì)在《Developmental Cell》期刊發(fā)表了題為《A plant histone H3.3-specific amino acid safeguards the deposition of H3K36 methylation for proper development and stress responses》的研究論文。這項(xiàng)研究揭示了植物H3.3特有的蘇氨酸31(T31)如何通過抑制植物特有的ATXR5/6甲基轉(zhuǎn)移酶活性，確保H3K36三甲基化修飾的正確添加，從而保障植物正常發(fā)育和逆境響應(yīng)。

研究人員首先通過基因互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將H3.3的T31突變?yōu)楸彼?T31A)或?qū)⑵涞?6位賴氨酸突變?yōu)楸彼?K36A)，都無(wú)法完全挽救h3.3ko突變體的發(fā)育缺陷——這些植物出現(xiàn)早開花、果莢變短的表型。進(jìn)一步分析表明，T31A和K36A突變體在全基因組水平上H3K36me3水平顯著下降，且T31A突變體中還意外地檢測(cè)到H3K27me1水平的升高。值得注意的是，這些突變并不影響H3.3在基因組上的定位模式，說明T31和K36的作用不是通過改變H3.3的“站位”來實(shí)現(xiàn)的。

既然T31不直接影響H3.3的定位，那它如何調(diào)控H3K36me3的沉積？研究人員將目光投向了植物特有的H3K27單甲基轉(zhuǎn)移酶ATXR5/6。已知ATXR5/6能特異性識(shí)別H3.1的A31并添加H3K27me1，而對(duì)H3.3的T31“視而不見”。當(dāng)H3.3的T31被突變?yōu)锳或動(dòng)物型的S后，ATXR5/6活性顯著增強(qiáng)，在H3.3上過量沉積H3K27me1。而H3K27me1的存在會(huì)抑制H3K36甲基轉(zhuǎn)移酶EFS與核小體的結(jié)合，從而阻礙H3K36me3的添加。質(zhì)譜分析也證實(shí)，同一組蛋白上幾乎不會(huì)同時(shí)存在K27me1和K36me3這兩種修飾，暗示它們互不相容。

有趣的是，模擬磷酸化的T31E和T31Q突變并未影響H3.3功能，而側(cè)鏈較小的T31S突變卻導(dǎo)致發(fā)育缺陷，說明T31的作用主要依賴于其側(cè)鏈大小而非磷酸化。研究還發(fā)現(xiàn)，與人類癌癥相關(guān)的H3.3 G34R和G34W突變同樣會(huì)損害植物發(fā)育，但它們的作用機(jī)制不同——這些突變直接抑制EFS活性，但不影響H3K27me1水平，且會(huì)引起更復(fù)雜的發(fā)育表型，如葉片鋸齒化和早衰。

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