在真核生物中，组蛋白甲基化修饰在调控染色质结构、基因转录和其他染色质相关过程中起着重要作用，含有Jumonji C（JmjC）结构域的去甲基化酶(JMJs)动态控制组蛋白甲基化水平。然而，JMJ活性调节的普适性机制尚不清楚。

2023年7月14日，北京大学现代农业研究院何跃辉研究员与罗晓研究员在Science在线发表了题为"Control of histone demethylation by nuclear-localized α-ketoglutarate dehydrogenase"的研究长文（Research Article），报道了三羧酸循环（TCA Cycle）的限速酶α-酮戊二酸脱氢酶复合体（α-ketoglutarate dehydrogenase，KGDH）响应光信号进入细胞核，并与JMJs蛋白互作；KGDH通过竞争性代谢α-酮戊二酸，抑制了JMJs的组蛋白去甲基化活性，从而在全基因组水平调控组蛋白的甲基化修饰进而调控一系列环境响应基因表达的分子机制。

Science同期还对该文章发表了题为“Metabolic control of transcription”的评述文章，表明光通过核α-酮戊二酸脱氢酶改变植物中的组蛋白甲基化。

JMJ介导的组蛋白去甲基化需要α-酮戊二酸，这是一种主要由线粒体基质中三羧酸(TCA)循环产生的底物。何跃辉团队构建了拟南芥KGDH两个亚基E1（oxoglutarate dehydrogenase，OGDH1和OGDH2）和E2（dihydrolipoamide succinyltransferase，E2a和E2b）的功能缺失突变体。研究结果表明，这些突变体，尤其是E1的双突变体表现出明显的延迟开花和花青素积累的表型，并且影响了TCA循环的中间代谢物的水平，呼吸作用受到了抑制。进一步通过荧光蛋白标记以及核质蛋白分离与检测等方法，发现少量KGDH进入细胞核，这个过程是通过光照来调节的，光信号促进KGDH进入细胞核，进一步发现KGDH入核是通过E2亚基实现的，突变E2中的核定位信号，E2蛋白失去了进入细胞核的能力，并且线粒体定位的E2a不能回补e2a突变体的表型，这表明核内KGDH具有重要的生物学功能。

由于α-KG是JMJs催化去甲基化的必需辅助底物，而KGDH可以降解α-KG，所以核内的KGDH可能通过与JMJs竞争并降解α-KG进而抑制JMJs的活性。组蛋白甲基化标记的生化测量显示，KGDH突变体中由JMJs催化的修饰包括H3K4me3、H3K9me2、H3K27me3和H3K36me3，其水平都显著下降了，而去甲基化由不需要α-KG的去甲基化酶LSDs催化的H3K4me1与H3K4me2、其水平没有明显变化。有趣的是，仅定位于线粒体的E2a既不能回补e2a突变体的表型也不能回复e2a突变体的组蛋白甲基化水平的变化，暗示核内KGDH通过控制核内局部的α-KG浓度来调控JMJs的酶活性，从而影响了组蛋白的去甲基化水平。

研究人员进一步利用RNA测序和染色质免疫沉淀结合DNA测序，探索核KGDH在控制拟南芥全基因组组蛋白甲基化和基因表达中的功能。KGDH突变体中基因编码区域的H3K27me3的水平显著下降了，KGDH不同亚基突变体ogdh1/2和e2a中差异表达的基因存在显著的重叠，环境应答或激素响应基因在差异表达基因中富集，并且这些差异表达的基因大部分都是受到组蛋白甲基化修饰调控，涉及开花调控的关键转录因子FLOWERING LOCUS C（FLC）以及花青素合成关键转录因子PRODUCTION OF ANTHOCYANIN PIGMENT 1（PAP1）在突变体中都显著上调，解释了KGDH突变体晚花和花青素积累的表型。全基因组ChIP-seq实验进一步证明，KGDH被发现占据了数千个位点的基因组区域，主要富集在组蛋白甲基化修饰（如H3K4me3、H3K27me3）发生的区域，与组蛋白甲基化区域显著相关，进一步证实了KGDH复合体与组蛋白甲基化修饰的关系。

因为KGDH复合体中没有与DNA或者组蛋白结合的组分，OGDH在染色质上的富集有可能是通过JMJs实现的，核内KGDH通过抑制JMJs的功能来调控组蛋白甲基化，研究人员进一步通过酵母双杂交、Co-IP以及BIFC等方法发现KGDH的OGDH1与H3K27去甲基化酶（ELF6，REF6和JMJ13）、H3K4去甲基化酶JMJ14以及H3K9去甲基化酶IBM1等蛋白互作，并且人类和老鼠的OGDH与JMJ去甲基化酶KDM4A也互作，说明KGDH通过直接与JMJs蛋白互作然后抑制其活性可能是真核生物界保守存在的一种调控机制。通过ChIP-qPCR的方法，研究人员发现KGDH突变体上调表达的基因直接受到H3K27去甲基化酶ELF6的调控、而下调表达的基因直接受到H3K4去甲基化酶JMJ14的调控。进一步的研究发现OGDH1在ELF6结合位点的富集依赖ELF6蛋白。作者最后聚焦KGDH和ELF6调控PAP1表达的分子机制，发现KGDH通过降低PAP1位点的α-KG浓度，抑制ELF6的H3K27去甲基化活性，从而抑制PAP1基因的表达及花青素的合成。

图1. 光照促进与TCA循环相关的酶KGDH进入植物细胞核，调控JMJs的组蛋白去甲基化酶活性（Huang et al. Science 2023; www.science.org）。

综上所述，作者揭示了一个全新的组蛋白去甲基化酶活性的调控机制，即TCA循环的限速酶KGDH能进入细胞核，并且这个过程在植物中受光调控；核内KGDH与多个JMJs互作，通过催化α-酮戊二酸的氧化脱羧，竞争性地抑制了JMJs的去甲基化活性，从而调控了基因组范围内的组蛋白甲基化水平，进而激活或抑制靶基因表达。核内KGDH与JMJs的互作在哺乳动物细胞中也被发现，表明这一调控机制保守存在于真核生物界。

北京大学现代农业研究院、北京大学现代农学院的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黄飞，北京大学现代农业研究院研究员罗晓、北京大学现代农学院博士后藕洋和高照旭为论文共同第一作者；唐启鸣，褚珍珍和中科院分子植物卓越创新研究中心研究员朱新广参与了该研究并作出了重要贡献。

此外，2023年7月12日，何跃辉研究员与罗晓研究员在Nature发表了题为“Cold induction of nuclear FRIGIDA condensation in Arabidopsis”的论文，利用CRISPR/Cas9方法删除了开花抑制基因FLC位点的反义长链非编码RNA (long noncoding RNAs, lncRNAs) COOLAIR启动子区域，获得了两个COOLAIR在常温和低温条件下都没有表达的株系；通过把有功能的FRI-GFP融合蛋白引入这两个株系，研究人员证实了低温诱导FRI蛋白形成凝聚体，但发现COOLAIR表达的缺失没有对FRI凝聚体的形成产生影响。进一步的研究发现COOLAIR的表达缺失也没有影响FLC在持续稳定低温条件下的沉默。综上所述，COOLAIR在持续低温（春化作用）沉默FLC表达过程中的作用仍需要进一步的研究。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf8822

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06189-z