Molecular Cell | 何跃辉团队揭示植物“越冬记忆”形成的分子与表观遗传机制
2023-03-18
染色质修饰与重塑对于真核生物基因表达起着重要的调控作用。“春化作用”，即植物的“越冬记忆”，是植物中经典的染色质修饰介导环境信号响应的表观遗传调控范例。在十字花科模式植物越冬拟南芥的春化过程中，长期持续低温（寒冬）沉默成花转变的抑制基因FLC的表达，春季升温后，这种沉默状态被稳定维持，赋予植物“冬季低温的表观遗传记忆 (epigenetic memory of winter cold)”，从而使越冬拟南芥能在春季开花结实。冷处理之前，FLC位点的染色质处于高度激活状态，富含组蛋白H3第4位赖氨酸的三甲基化（H3K4me3）以及第36位赖氨酸的三甲基化（H3K36me3）等转录激活性修饰。冬季长期低温的处理诱导该位点染色质形成富含转录抑制性的H3K27me3修饰的多梳沉默域(Polycomb domain)。然而，激活状态的染色质转变为沉默状态的调控机理仍不清楚。
2023年3月14日，北京大学现代农业研究院、北大-清华生命科学联合中心何跃辉研究组在Molecular Cell在线发表了题为A pair of readers of bivalent chromatin mediate formation of Polycomb-based‘memory of cold’ in plants的研究论文，报道了拟南芥中两个植物特有的二价组蛋白标记阅读蛋白识别FLC位点特定调控区域的二价染色质，驱动植物“越冬记忆”形成的分子与表观遗传机制。
冬季长期持续低温诱导Polycomb Group (PcG) 染色质修饰因子在FLC位点的积累。此前的研究发现，FLC基因内部含有一段长约500bp的“Polycomb沉默成核区 (Polycomb nucleation region)”，位于第一个外显子和内含子连接区域的附近【1】。何跃辉团队早期的研究报道了成核区内47-bp的 “低温记忆元件 (cold memory element，CME)” 介导FLC位点“冬季低温记忆”形成的重要功能【2】。本项研究发现CME所处的染色质区域，无论是在春化前还是春化后都处于H3K4me3和H3K27me3共存的二价状态，该区域的二价染色质可以被两个植物特有的同源组蛋白标记阅读蛋白EBS (EARLY BOLTING IN SHORT DAYS) 和SHL (SHORT LIFE) 识别。EBS和SHL可以通过BAH结构域识别H3K27me3，及PHD结构域识别H3K4me3【3,4】。然而由于蛋白结构域之间的空间限制，EBS或SHL结合二价染色质的能力未定（单个蛋白无法同时结合H3K27me3和 H3K27me3）【4,5】。本项研究发现EBS和SHL可以形成同源或异源二聚体，从而识别CME区域的二价染色质，招募冷特异的H3K27甲基转移酶复合体VIN3-PRC2。此外，EBS和SHL还与识别CME序列的DNA结合蛋白VAL1互作，协同促进VIN3-PRC2在CME区域的富集，介导CME区域H3K27me3修饰的增加。升温后，EBS和SHL介导PRC2扩散至整个FLC位点，催化并持续维持H3K27me3修饰；CME区的二价染色质和基因体其它区域的H3K27me3共同构成FLC位点稳定的多梳沉默域 (Polycomb domain)，赋予植物“越冬记忆”（图1）。
图1. 春化过程中EBS和SHL识别FLC位点CME区域的二价染色质，驱动多梳沉默域的形成，从而抑制FLC表达。
综上所述，该研究揭示了CME区域的二价修饰及其阅读蛋白EBS和SHL驱动冷诱导的FLC染色质状态由激活到沉默的转变过程，揭示了拟南芥“越冬记忆”形成的分子与表观遗传调控机制，并为植物响应环境信号而转变二价染色质位点的修饰状态，并改变基因表达的调控模式提供了范例 (paradigm)。
北京大学现代农业研究院、北大-清华生命科学联合中心何跃辉教授为该论文的通讯作者，北京大学现代农学院博士后高政和中国科学院分子植物科学卓越创新中心的助理研究员李亚肖为共同第一作者。 参考文献： 1.Angel, A., Song, J., Dean, C., and Howard, M. (2011). A Polycomb-based switch underlying quantitative epigenetic memory. Nature476, 105-108. 2.Yuan, W., Luo, X., Li, Z., Yang, W., Wang, Y., Liu, R., Du, J., and He, Y. (2016). Acis cold memory element and a trans epigenome reader mediate Polycomb silencing of FLC by vernalization in Arabidopsis. Nat. Genet. 48, 1527-1534. 3.Li, Z., Fu, X., Wang, Y., Liu, R., and He, Y. (2018). Polycomb-mediated gene silencing by the BAH-EMF1 complex in plants. Nat Genet50, 1254-1261. 4.Yang, Z., Qian, S., Scheid, R.N., Lu, L., Chen, X., Liu, R., Du, X., Lv, X., Boersma, M.D., Scalf, M., et al. (2018). EBS is a bivalent histone reader that regulates floral phase transition in Arabidopsis. Nat Genet50, 1247-1253. 5.Qian, S., Lv, X., Scheid, R.N., Lu, L., Yang, Z., Chen, W., Liu, R., Boersma, M.D., Denu, J.M., Zhong, X., and Du, J. (2018). Dual recognition of H3K4me3 and H3K27me3 by a plant histone reader SHL. Nat Commun9, 2425.
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.molcel.2023.02.014