在植物和动物中，Polycomb-group染色质修饰剂在抑制或关闭基因表达方面发挥着重要作用。活跃的染色质状态是如何转换到Polycomb抑制状态尚不清楚。在拟南芥中，长时间的寒冷诱导了高效花抑制因子FLC上的高活性染色质状态切换到Polycomb抑制状态，当温度升高时，这种状态在表观遗传上得到维持，以赋予“冷记忆”，使植物在春天开花。
2023年3月14日，北京大学何跃辉团队在Molecular Cell 在线发表题为“A pair of readers of bivalent chromatin mediate formation of Polycomb-based “memory of cold” in plants”的研究论文，该研究报道了FLC的顺式作用冷记忆元件(CME)区域具有活性组蛋白H3K4me3和抑制性H3K27me3的二价标记，这些标记由一组二价染色质读取器读取和解释，以驱动FLC染色质状态的冷诱导切换。
在对冷的反应中，47 bp CME及其相关的双价染色质特征驱动重组基因的活性染色质状态切换到Polycomb抑制状态，赋予冷记忆。总之，该研究揭示了环境诱导的植物二价基因座染色质状态转换的范例。
最后，iNature编辑部发现，何跃辉团队从2014年到2023年（截至2023年3月19日）在Nature，Nature Genetics，Molecular Cell，Nature Plants，Molecular Plant，PNAS，Plant Cell及Developmental Cell 等发表33篇文章（包括综述及研究论文）（文章后附列表），专注于植物开花的表观遗传调控领域。
Polycomb-group (PcG)蛋白在从植物到人类的生物体中引入抑制性染色质修饰并实现转录沉默。在拟南芥(Arabidopsis thaliana)等十字花科植物中，长时间的低温暴露导致PcG介导的有效花抑制因子开花位点C (FLC；编码MADS-box转录因子)将活跃的染色质状态转换为抑制状态，这一生理过程被称为春化(感知和“冬季长时间寒冷的记忆”)。当温度升高时，这种PcG被抑制的状态通过细胞分裂在表观遗传上保持，导致FLC受到稳定的抑制，并赋予冷的表观遗传记忆，使植物能够在有利于种子生长的温度下开花。
在冷暴露之前，FLC的表达被植物特有的支架折叠蛋白FRIGIDA (FRI)与活性染色质修饰剂(包括几种组蛋白甲基转移酶)强烈上调。被称为COMPASS样的H3K4甲基转移酶复合物和H3K36甲基转移酶分别在FLC 5 '转录区域，包括转录起始位点(TSS)沉积H3K4me3及基因体中沉积H3K36me3，导致高度激活的染色质状态激活FLC的表达，从而阻止花转化。在冷暴露下，FRI蛋白被隔离成冷凝物，FLC转录在单个细胞中被关闭；此外，VERNALIZATION INSENSITIVE 3 (VIN3)随着低温时间的延长逐渐被诱导表达。VIN3与VIN3 LIKE 1 (VIL1)/VERNALIZATION 5 (VRN5)一起，加入一个预先存在的核心PRC2(由一个H3K27甲基转移酶和三个结构亚基组成)，形成具有较高催化活性的冷特异性VIN3 (PHD)-PRC2，在FLC沉积抑制性H3K27me3。
VIN3-PRC2在位于5′转录区的一个三核小体区域内被特异性富集并以FLC的第一个外显子/内含子交界处为中心，导致低温下H3K27me3特异性富集在该区域，但VIN3-PRC2如何靶向该区域尚不清楚。在这三个核小体区域内，有一个47 bp的顺式作用冷记忆元件(CME)，两个同源反式作用B3结构域蛋白VP1/ABI3-LIKE 1 (VAL1)和VAL2形成二聚体，识别CME中的两个6 bp基序，促进冷介导的FLC沉默。
当温度升高到正常时，H3K27me3分布在整个FLC基因体中。由于扩散源于5 ' FLC的三核小体区域，因此该区域被称为“多梳形核区（Polycomb nucleation region）”。H3K27me3的扩散(以建立Polycomb-repressed结构域)以及在随后的生长发育过程中通过细胞分裂维持该结构域，赋予了温暖中的冷记忆。在温暖环境下，VIN3蛋白迅速降解，而VIL1/VRN5相对稳定，仍与核心PRC2结合，介导H3K27me3在FLC的扩散和维持。VRN5-PRC2在冷后细胞分裂过程中与DNA复制结合，在FLC染色质上的典型H3变体H3.1上沉积H3K27三甲基化。
FLC染色质上的H3K27me3标记部分被LIKE异染色质蛋白1 (LIKE HETEROCHROMATIN PROTEIN 1, LHP1)识别，LHP1可能与VRN5-PRC2共同作用，维持低温诱导下FLC染色质的沉默；然而，LHP1似乎发挥了有限的作用，因为LHP1功能的丧失只会导致温和的FLC在温暖环境下的重新激活。这表明可能存在其他H3K27me3读取器，对FLC低温诱导的polycomb - repression domains的维持至关重要。
文章模式图（图源自Molecular Cell ）
FLC高度激活的染色质状态如何切换到polycomb-epression domains尚未得到解决，特别是关于如何定义所谓的Polycomb成核区域，以及在冷暴露期间和之后该区域中“激活”H3K4me3标记的矛盾存在。在冷前，COMPASS(与Set1相关的蛋白复合物)样在5 '转录的FLC区域沉积H3K4me3，包括随后在冷暴露时作为Polycomb成核区域。在冷暴露期间，成核区H3K4me3的水平似乎只是适度降低。这些“活性”H3K4me3标记(如果有的话)在冷诱导的FLC染色质状态切换中的作用基本上是未知的。
活性标记H3K4me3和抑制标记H3K27me3可共存于同一核小体或相邻核小体中，形成二价染色质区或二价位点。这两个功能相反的组蛋白标记之间的平衡可能使二价位点在响应发育和外部信号时具有良好的转录调节。二价染色质区域通常在哺乳动物胚胎干细胞中发现，并且通常与发育后期或分化过程中准备激活的位点相关。在拟南芥基因组中，多项全基因组谱研究表明，在幼苗期可能有数百个位点携带H3K4me3和H3K27me3，但在植物中，二价性在基因调控中的作用尚不清楚。
组蛋白标记可以被读取器（Rearers）识别。有两个组蛋白标记结合域的双重读取器来识别不同的修饰。最近发现了两个植物特异性的识别H3K4me3和H3K27me3的双读取器，EARLY BOLTING IN SHORT DAYS (EBS)和SHORT LIFE (SHL)，这两个读取器都是由一个N端bromo相邻同源体(BAH)组成，用于识别H3K27me3，然后是一个H3K4me3结合的PHD结构域。EBS和SHL都需要这两个结构域来调节几个检测到的靶位点的表达，EBS和SHL占用的全基因组分析表明，大多数由EBS和/或SHL结合的位点携带H3K4me3或H3K27me3。
EBS和SHL都与植物特异性的Polycomb factor embryo FLOWER 1 (EMF1)相互作用，形成BAH-EMF1复合物，介导转录抑制。有趣的是，EBS和SHL的结构分析表明，由于两个组蛋白标记结合袋之间的距离所施加的空间限制，这些双读取器的单个分子在H3尾部只捕获H3K4me3或H3K27me3，而不是同时捕获两者；因此，BAH-H3K27me3和PHD-H3K4me3从EBS或SHL蛋白结合是独立且互斥的。到目前为止，EBS和SHL是否可以读取二价染色质状态尚不清楚。
该研究报道了EBS和SHL形成同源或异源二聚体，作为染色质双价读取器器，在长时间冷暴露过程中识别FLC顺式CME区域的H3K4me3和H3K27me3标记，从而驱动冷诱导的活性FLC染色质状态切换到polycomb抑制状态。EBS和SHL都与识别CME的VAL1相互作用，并进一步在二价CME区域成核冷特异性VIN3-PRC2。恢复温暖后，EBS和SHL分布在FLC位点上，并参与PRC2进行H3K27三甲基化，导致FLC在冷后生长发育中形成和维持Polycomb-repressed结构域，赋予冷记忆。
北京大学、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。该研究得到了国家自然科学基金，北大-清华生命科学联合中心、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室以及中国科学院相关经费的资助。
最后，iNature编辑部发现，何跃辉团队从2014年到2023年（截至2023年3月19日）在Nature，Nature Genetics，Molecular Cell，Nature Plants，Molecular Plant，PNAS，Plant Cell及Developmental Cell 等发表33篇文章（包括综述及研究论文），专注于植物开花的表观遗传调控领域。下面是33篇文章列表：
参考消息：
https://doi.org/10.1016/j.molcel.2023.02.014
转自：“iNature”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
