近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心，以下簡稱基因組所）張翠軍課題組在《植物生理學(xué)（Plant Physiology）》上發(fā)表了題為“SANT proteins modulate gene expression by coordinating histone H3KAc and Khib levels and regulate plant heat tolerance”的研究論文，該研究揭示了擬南芥中Harbinger轉(zhuǎn)座子衍生蛋白（SANT1/2/3/4，簡稱SANT蛋白）參與調(diào)控組蛋白翻譯后修飾及植物耐熱性的分子機(jī)制，為植物耐高溫改良提供了理論依據(jù)和新的靶點(diǎn)。

在真核細(xì)胞中，組蛋白受到多種翻譯后修飾，如乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化以及新型修飾賴氨酸2-羥基異丁酰化（Khib）等。HDA6和HDA9是在模式植物擬南芥中發(fā)現(xiàn)的重要的組蛋白去乙酰化酶，能夠通過組蛋白去乙酰化調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。近期研究表明，HDA6和HDA9也能在組蛋白去Khib修飾中起到催化作用（Zheng et al., 2021）。轉(zhuǎn)座子是一種重復(fù)序列，在動植物基因組中占有重要地位。植物中的PIF/Harbinger轉(zhuǎn)座子衍生蛋白在表觀遺傳調(diào)控以及宿主基因表達(dá)調(diào)節(jié)中起到重要作用。張翠軍團(tuán)隊前期研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥中PIF/Harbinger轉(zhuǎn)座子編碼的SANT結(jié)構(gòu)域衍生蛋白能與HDA6形成復(fù)合體調(diào)控特異位點(diǎn)的組蛋白去乙酰化和基因表達(dá)水平（Zhou et al., 2021）。然而，植物中SANT蛋白能否調(diào)節(jié)靶位點(diǎn)組蛋白去Khib修飾，以及SANT蛋白能否通過表觀遺傳調(diào)控參與到特定的脅迫響應(yīng)過程中，目前并不清楚。

該研究通過組蛋白Khib ChIP-seq以及RNA-seq聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn)，擬南芥中SANT蛋白參與調(diào)控組蛋白Khib修飾，并且sant-null介導(dǎo)的靶基因轉(zhuǎn)錄激活與其較高的組蛋白Khib水平相關(guān)。結(jié)合前期的H3KAc ChIP-seq數(shù)據(jù)，該研究發(fā)現(xiàn)，作為轉(zhuǎn)錄激活的表觀修飾標(biāo)記，SANT蛋白調(diào)控的H3KAc和組蛋白Khib修飾以協(xié)同而非拮抗的方式維持了sant-null突變體的高轉(zhuǎn)錄水平，其中H3KAc起著主導(dǎo)作用，Khib則作為補(bǔ)充。

進(jìn)一步通過對sant-null中差異表達(dá)基因的GO富集分析發(fā)現(xiàn)，SANT蛋白參與到植物脅迫響應(yīng)的過程中，其中包括對熱響應(yīng)基因HTT1和HTT4的表達(dá)調(diào)控。熱脅迫處理后，與野生型相比，sant-null表現(xiàn)出明顯的耐熱性。利用正常溫度以及熱脅迫下的RNA-seq數(shù)據(jù)以及ChIP-qPCR分析發(fā)現(xiàn)，部分熱誘導(dǎo)基因在sant-null中H3KAc水平及基因表達(dá)水平升高，而組蛋白Khib水平保持不變。另外，正常溫度以及熱脅迫下的SANT3-Flag ChIP-qPCR結(jié)果表明SANT3能與部分熱誘導(dǎo)基因直接結(jié)合。以上結(jié)果說明SANT結(jié)構(gòu)域蛋白能通過結(jié)合并調(diào)節(jié)靶基因組蛋白乙酰化修飾參與調(diào)控植物耐熱性。

圖1 Harbinger轉(zhuǎn)座子衍生蛋白SANT1/2/3/4負(fù)調(diào)控植物耐熱性的機(jī)制解析

基因組所張翠軍研究員為本論文通訊作者，助理研究員周惜時為第一作者，Justin Goodrich教授及朱健康院士對本研究給予了重要指導(dǎo)。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究區(qū)域聯(lián)合基金以及深圳市科技創(chuàng)新委員會的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiae348

參考文獻(xiàn)：

1. Zheng, L., Li, C., Ma, X., Zhou, H., Liu, Y., Wang, P., Yang, H., Tamada, Y., Huang, J., Wang, C., et al. (2021). Functional interplay of histone lysine 2-hydroxyisobutyrylation and acetylation in Arabidopsis under dark-induced starvation. Nucleic Acids Research 49(13) : 7347-7360.

2. Zhou, X., He, J., Velanis, C.N., Zhu, Y., He, Y., Tang, K., Zhu, M., Graser, L., Leau, E.d., Wang, X., et al. (2021). A domesticated Harbinger transposase forms a complex with HDA6 and promotes histone H3 deacetylation at genes but not TEs in Arabidopsis. Journal of Integrative Plant Biology 63(8): 1462–1474.