2021年7月16日，北京生命科學(xué)研究所/清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院何新建課題組在《The Plant Cell》在線發(fā)表了題為“COMPASS functions as a module of the INO80 chromatin remodeling complex to mediate histone H3K4 methylation in Arabidopsis”的研究論文。在該研究中，作者在模式植物擬南芥中發(fā)現(xiàn)，一類組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶COMPASS復(fù)合體作為INO80染色質(zhì)重塑復(fù)合體的一個模塊，并且通過催化組蛋白H3K4甲基化的方式調(diào)控基因表達(dá)。7月22日，《The Plant Cell》在線發(fā)表題為“A COMPASS to guide vegetative growth and the floral transition”的評論文章，對此研究進行了亮點評論https://doi.org/10.1093/plcell/koab191。
INO80染色質(zhì)重塑復(fù)合體是真核生物中一類保守的多亞基蛋白復(fù)合體，通過ATP酶活性水解ATP產(chǎn)生的能量來改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)，從而調(diào)控基因表達(dá)、DNA復(fù)制和DNA損傷修復(fù)等過程。INO80蛋白主要由N端結(jié)構(gòu)域 (NTD)、保守的HSA結(jié)構(gòu)域和ATP酶結(jié)構(gòu)域構(gòu)成。NTD在不同物種中分化程度較高，已知的物種中特異的INO80結(jié)合亞基都結(jié)合在NTD。NTD缺失并不影響INO80的ATP酶活性，如何發(fā)揮調(diào)控功能尚不清楚。以往的研究表明，植物中INO80蛋白參與植物生長、開花以及熱形態(tài)建成等多個重要生物學(xué)過程。然而，植物中對于INO80復(fù)合體的研究還有多個基本科學(xué)問題有待回答。比如:植物中INO80復(fù)合體具體由哪些組分構(gòu)成？存在哪些植物特異的INO80亞基？這些亞基作用的分子機制如何？

該研究通過親和純化聯(lián)合質(zhì)譜分析的方法系統(tǒng)地鑒定了擬南芥中INO80復(fù)合體的組分。研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥INO80復(fù)合體至少包含26種蛋白亞基，其中部分亞基與動物相應(yīng)亞基同源，其它亞基（INB1、INB2A、INB2B和INB3）為植物所特有。有趣的是，組蛋白H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶ATX4和ATX5所形成的COMPASS復(fù)合體能夠與INO80蛋白共純化，形成植物INO80復(fù)合體中特有的ATX4/5-COMPASS模塊，而同屬于ATX家族的ATX1、ATX2和ATX3在植物中形成獨立的COMPASS復(fù)合體，不與INO80復(fù)合體結(jié)合。進一步研究發(fā)現(xiàn)，ATX4/5-COMPASS復(fù)合體通過一個組蛋白去甲基化酶家族蛋白—JMJ24特異性的與INO80的NTD結(jié)合，且植物中特異亞基—INB蛋白也結(jié)合在INO80的NTD，而與動物INO80復(fù)合體亞基同源的其它蛋白則分別與INO80的三個結(jié)構(gòu)域結(jié)合（圖1）。

圖1. 擬南芥INO80復(fù)合體亞基結(jié)合模式圖

該研究表明，擬南芥INO80復(fù)合體的催化亞基INO80以及結(jié)合在INO80的NTD和ATP酶結(jié)構(gòu)域的輔助亞基都能夠促進植物的營養(yǎng)生長，它們的缺失會導(dǎo)致植株變小。與此一致，INO80的NTD及ATP酶結(jié)構(gòu)域的缺失影響INO80轉(zhuǎn)基因的互補功能，導(dǎo)致植株變小。這表明，在營養(yǎng)生長階段，INO80復(fù)合體的NTD模塊和ATP酶模塊能夠共同作用促進植物生長。在生殖生長階段，NTD結(jié)構(gòu)域及其結(jié)合亞基形成的NTD模塊在短日照條件下抑制植物開花，而ATP酶結(jié)構(gòu)域則促進植物開花。上述結(jié)果表明INO80的NTD具有不依賴ATP酶活性的調(diào)控作用，并對植物的正常生長發(fā)育以及開花至關(guān)重要。RNA-seq和H3K4me3 ChIP-seq分析結(jié)果顯示，INO80的NTD能夠通過其ATX4/5-COMPASS組分在特定靶基因上進行H3K4me3修飾，從而促進基因表達(dá)，且這一過程不依賴INO80的ATP酶活性（圖2）。

圖2. ATX4/5-COMPASS作為INO80的NTD結(jié)合模塊促進基因表達(dá)

綜上，該研究系統(tǒng)地鑒定了擬南芥中INO80復(fù)合體組分以及各亞基的結(jié)合模式，發(fā)現(xiàn)ATX4/5所形成的COMPASS復(fù)合體能夠作為INO80的一個NTD結(jié)合模塊，通過催化NTD特定靶基因位點的H3K4me3，從而促進基因表達(dá)。包括ATX4/5-COMPASS組分在內(nèi)的NTD模塊一方面與ATP酶模塊協(xié)同作用促進植物生長；另一方面以不依賴ATP酶活性的方式在短日照下抑制植物過早開花（圖2）。該研究揭示了植物在營養(yǎng)生長與生殖生長之間平衡的重要調(diào)控機制。
何新建課題組的博士研究生尚繼云和魯雨佳為本論文的共同第一作者，何新建研究員為通訊作者。其余作者包括陳涉研究員和蔡雪薇，蘇銀娜，馮超，李琳。該研究在北京生命科學(xué)研究所完成。

來源：NIBS