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植物所揭示植物中O-GlcNAc糖基化介导表观遗传修饰调控发育新机制

细胞内蛋白质翻译后O-连N-乙酰氨基葡萄糖(O-GlcNAc)修饰,由O-GlcNAC糖基转移酶催化完成,这种糖基化修饰参与调控细胞内多种重要的生物学过程,并在人类疾病与治疗中得到应用。在植物中,这种动态的蛋白糖基化与磷酸化修饰调节植物春化作用介导的开花过程,而O-GlcNAc信号与组蛋白表观遗传调控的关系尚不清楚。

4月8日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所上海植物逆境生物学研究中心何跃辉研究组和杜嘉木(现南方科技大学生物系教授)研究组合作在Nature Plants 发表题为Embryonic resetting of the parental vernalized state by two B3 domain transcription factors in Arabidopsis 的研究长文 ,报道了植物特有B3转录因子LEC2及FUS3在胚胎发育早期重置“春化记忆”的分子机制。

中国科学院植物研究所研究员、中国科学院院士种康团队致力于植物体内O-GlcNAc信号调控春化响应及开花时间的分子机制研究。近期,该团队发现,拟南芥O-GlcNAc转移酶SEC基因功能缺失突变体具有早花的表型,且突变体中开花时间的负调节因子FLC的转录受到抑制,同时FLC染色质区组蛋白H3K4me3修饰水平显著降低,表明植物体内糖基转移酶SEC参与表观遗传介导的开花时间调节过程。FLC位点组蛋白的H3K3me3修饰由组蛋白甲基转移酶ATX1催化完成,该研究发现SEC可以直接催化ATX1使其获得O-GlcNAc修饰。在体外及体内条件下,SEC均表现出通过O-GlcNAc修饰而激活ATX1的组蛋白甲基转移酶活性,而且,遗传分析表明ATX1的功能依赖于SEC。进一步的蛋白质谱分析及蛋白点突变功能验证结果表明,位于ATX1的SET结构域中的Ser947是SEC对ATX1进行O-GlcNAc修饰并且激活其组蛋白甲基转移酶活性的关键位点。

一些越冬植物必须经历一段时间的持续低温才能在春季时开花,这种现象即为春化作用。春化作用受表观遗传调控,在模式植物拟南芥中,长期低温通过染色质修饰(组蛋白H3 第27位赖氨酸三甲基化,H3K27me3)关闭抑制开花的关键基因FLC。何跃辉研究组2016年12月在Nature Genetics 报道了拟南芥营养生长时期,B3蛋白VAL1和VAL2识别FLC位点的顺式“冷记忆”元件(cis-regulatory cold memory element, CME),并招募H3K27三甲基转移酶复合体PRC2,介导了长期低温对FLC的沉默;气温回升后,VAL蛋白依然结合FLC,其沉默状态被维持,当日照逐渐变长,植物就能开花结实。春化作用诱导的FLC沉默在当代是稳定的,但下一代需要重新激活FLC表达,以保证每一代都要经历寒冬而被春化,从而防止植物在过冬前或过冬时开花。2017年11月何跃辉研究组发表在Nature 的研究成果表明“春化记忆”重置发生在胚胎发育早期,种子特异的“先驱” 转录因子LEC1在受精后启动了这一重置过程,以重新激活FLC表达。

该研究揭示了植物体内一种新的蛋白O-GlcNAc糖基化介导表观遗传修饰调控开花的机制,并且建立了组蛋白甲基转移酶的O-GlcNAc修饰参与植物发育过程的新功能。研究结果为表观遗传调控植物发育开辟了新途径,同时也为进一步研究O-GlcNAc信号调控植物发育及外界环境响应的分子机制奠定了基础。

这项研究发现随着LEC1结合FLC基因的启动子区域,胚胎B3转录因子LEC2和FUS3识别FLC位点的“冷记忆”顺式元件CME,并与抑制FLC表达的B3蛋白VAL1和VAL2竞争,将其从FLC位点剔除;LEC1、LEC2和FUS3协同作用,形成胚胎“春化记忆”重置路径。蛋白-DNA复合物晶体结构显示LEC2、FUS3及VAL1的B3结构域以相同的方式识别CME。此外,LEC2和FUS3招募H3K36三甲基化酶EFS等激活FLC表达的染色质修饰因子,在胚胎发育早期将FLC染色质的沉默状态(携带H3K27me3标记)重置为激活状态(携带H3K36me3等标记),从而消除亲本的“春化记忆”,在子代激活FLC表达。在种子发芽出苗后,种子特异的LEC1、LEC2和FUS3不再表达或表达被抑制,而VAL1和VAL2在幼苗期仍正常表达;当低温来临时,VAL1和VAL2又能结合FLC位点的“冷记忆”元件,再次关闭FLC表达。

该研究成果于8月27日在线发表于国际学术期刊The EMBO Journal。种康研究组副研究员邢立静和已毕业客座博士生刘焱为论文的共同第一作者,种康为通讯作者。相关工作得到国家基金委和科技部的资助。

这项研究显示越冬植物利用B3结构域蛋白的一个亚家族,在胚胎-植物-胚胎生长发育循环过程中,开启-关闭-再次开启开花调控基因的表达,使植物的生长发育与季节性温度变化同步,揭示了植物适应从冬到春、春又到冬的季节循环,而适时开花的分子与表观遗传机理。

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该项研究由何跃辉研究组与杜嘉木研究组合作完成,得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委和中科院相关经费的资助;陶增、胡泓淼和罗晓为该论文的共同第一作者,杜嘉木和何跃辉为该论文的通讯作者。