水稻團(tuán)隊揭示水稻PRC2復(fù)合體維持莖尖分生組織活性的表觀遺傳機(jī)制

　　近日，作物遺傳改良國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和湖北洪山實(shí)驗(yàn)室周道繡和趙毓教授課題組在The Plant Cell 雜志上在線發(fā)表題為“A coiled-coil protein associates Polycomb Repressive Complex2 （PRC2） with KNOX/BELL transcription factors to maintain H3K27me3 and gene repression in shoot apex”的研究論文，揭示了PRC2相關(guān)蛋白PACP通過調(diào)控組蛋白H3K27me3修飾參與水稻莖尖分生組織（SAM）活性維持的表觀遺傳機(jī)制。

 

　　組蛋白H3第27位賴氨酸三甲基化（H3K27me3）是一類維持基因和基因組沉默的關(guān)鍵組蛋白修飾，在動植物生長發(fā)育和環(huán)境適應(yīng)性應(yīng)答中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。H3K27me3修飾由多梳蛋白復(fù)合物2（PRC2）催化建立和維持，組蛋白去甲基化酶負(fù)責(zé)去除（Li et al., The Plant Cell, 2013）。植物莖頂端分生組織發(fā)育是地上部分所有器官的來源，是決定農(nóng)作物地上部分的生物量、產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，PRC2及其參與催化的H3K27me3修飾在水稻頂端分生組織活性的維持和側(cè)生器官建成過程中發(fā)揮著重要功能（Liu et al.,  The Plant Cell. 2015；Cheng et al., Nucleic Acids Research, 2018），但其具體調(diào)控機(jī)制尚不清楚。本項(xiàng)目從水稻PRC2特異的靶向招募機(jī)制入手，以鑒定和研究水稻PRC2 非核心組分為切入點(diǎn)，對PRC2及H3K27me3參與SAM發(fā)育的調(diào)控機(jī)制進(jìn)行了解析。

 

　　本研究利用免疫沉淀偶聯(lián)質(zhì)譜（IP-MS）和酵母雙雜交等方法鑒定到一類新的PRC2相關(guān)因子，命名為 PACP （PRC2 Associated Coiled-coil Protein），該蛋白C端含有特殊的Coiled-coil 結(jié)構(gòu)域。研究發(fā)現(xiàn)PACP蛋白除了能夠形成同源二聚體外，還可以與PRC2核心組分以及SAM發(fā)育的重要調(diào)控因子KNOX/BELL相互作用。PACP蛋白在植物進(jìn)化中極其保守，最早在輪藻中出現(xiàn)，這表明該蛋白可能在植物的形態(tài)建成中發(fā)揮重要的功能。PACP與PRC2核心組分功能缺失的水稻植株都表現(xiàn)為植株矮化、分蘗增多和早花等表型。細(xì)胞學(xué)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)這些突變體的頂端分生組織都變小；突變體轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)大量側(cè)生器官發(fā)育相關(guān)的基因在SAM中異位高表達(dá)。同時， PACP功能缺失導(dǎo)致了水稻基因組中H3K27me3修飾以及PRC2結(jié)合水平都顯著降低，這些結(jié)果表明PACP維持SAM活性依賴于PRC2及H3K27me3對SAM中促進(jìn)側(cè)生器官發(fā)育基因的抑制。染色質(zhì)免疫沉淀數(shù)據(jù)分析表明PACP與 PRC2在水稻全基因組的分布模式相似，它們直接調(diào)控的下游基因大部分都可以被KNOX蛋白OSH1結(jié)合。該研究解析了PACP 參與PRC2 的募集機(jī)制以及在招募位點(diǎn)通過H3K27me3修飾維持頂端分生組織活性的機(jī)制，建立了染色質(zhì)修飾、SAM活性以及基因表達(dá)調(diào)控之間的直接聯(lián)系，為PRC2介導(dǎo)的水稻頂端分生組織發(fā)育調(diào)控機(jī)制的闡明奠定了基礎(chǔ)。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室和生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士后譚豐全和王文韜為該論文共同第一作者，周道繡教授和趙毓教授為共同通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目的資助。

 

　　原文鏈接：https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koac133/6580212?searchresult=1

 

　　【英文摘要】

 

　　Polycomb Repressive Complex 2 （PRC2）， which mediates the deposition of H3K27me3 histone marks, is important for developmental decisions in animals and plants. In the shoot apical meristem, TALE （Three Amino acid Loop Extension） family KNOX/BELL transcription factors are key regulators of meristem cell pluripotency and differentiation. Here, we identified a PRC2-associated coiled-coil protein （PACP） that interacts with KNOX/BELL transcription factors in rice （Oryza sativa） shoot apex cells. A loss-of-function mutation of PACP resulted in differential gene expression similar to that observed in PRC2 gene knockdown plants, reduced H3K27me3 levels, and reduced genome-wide binding of the PRC2 core component EMF2b. The genomic binding of PACP displayed a similar distribution pattern to EMF2b, and genomic regions with high PACP and EMF2b binding signals were marked by high levels of H3K27me3. We show that PACP is required for the repression of cell differentiation-promoting genes targeted by a rice KNOX1 protein in the shoot apical meristem. PACP is involved in the recruitment or stabilization of PRC2 to genes targeted by KNOX/BELL transcription factors to maintain H3K27me3 and gene repression in dividing cells of the shoot apex. Our results provide insight into PRC2-mdiated maintenance of H3K27me3 and the mechanism by which KNOX/BELL proteins regulate shoot apical meristem development.