【人物专题】 | 上海植物逆境中心何跃辉课题组-4年时间在Nature，NG等顶级期刊发表众多重要文章！(附近期MP文章解读)

1.何跃辉课题组揭示BR信号途径抑制拟南芥开花的分子调控机理

油菜素内酯在植物生长发育的诸多过程中起到调控作用。BR因其受体和生物合成途径中的突变体生长缓慢，多分支和次生叶的结构，在过往研究中被认为在开花过程中起到促进作用。

拟南芥发育过程中，花原基是由叶原基转化形成的，因此莲座叶与主茎茎生叶的叶片数是作为衡量拟南芥开花时间的发育指标。利用这一指标，何跃辉课题组发现BR受体和生物合成途径中的突变体叶片数要少于野生型植株。同时，外源施加BR的野生型植株开花时间也要晚于对照组。在BR突变体中，抑制开花基因FLC及其三个同源基因的表达量均有所降低，而外源施加BR的野生型植株中FLC及其同源的基因的表达量较对照组呈现上升。从而得出结论，BR在拟南芥生长发育过程中起到抑制开花的作用。

在分子水平上，BR信号通路的下游转录因子BZR1和BIM1特异性的结合FLC染色质结构中第一个内含子中一个BR响应的顺式元件（BRRE）。顺式元件发生点突变后丧失与BZR1的结合。BZR1进而招募H3K27去甲基化酶ELF6，从而降低FLC位点的H3K27me3的水平（H3K27me3抑制FLC表达），起到促进FLC表达的作用。

该课题组此前的研究发现，在BRRE上游约0.5 kb的位置存在一个命名为CME（Cold Memory Element）的顺式调控元件。CME被VAL1 /VAL2蛋白识别，从而招募PRC2 H3K27甲基转移酶复合体对FLC染色质进行H3K27me3的修饰而抑制FLC表达 (Yuan et al. Nature Genetics 48: 1527-34)。BRRE和CME作用相反，从而提示植物体内FLC表达调控存在相互制约的动态平衡，从而精准调控植物的开花时间。

何跃辉课题组的博士后李子聪为第一作者，博士生藕洋为共同第一作者。

原文链接：

https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(18)30214-4

2.何跃辉研究组揭示拟南芥开花的长时间诱导

PRC2复合物具有组蛋白甲基转移酶活性，并主要在赖氨酸27（即H3K27me3）上组蛋白H3三甲基化，是转录沉默染色质的标记。对于基因组区域（PRC反应元件或PRE）的初始靶向被沉默需要PRC2，而PRC1是稳定该沉默所需的并且是细胞分化后沉默区域的细胞记忆的基础。PRC2存在于所有多细胞生物体中。

许多植物感觉到季节线索、日长或光周期变化，以使发育到开花的时间与季节的变化相一致，以获得繁殖成功。诱导日长度通过光周期途径诱导开花位点FLOWERING LOCUS T（FT）或FT亲代的表达，其编码一种主要的移动成花素以促进开花。在拟南芥中，在诱导的长日照下，光周期途径输出CONSTANS（CO）在一天结束时累积并且与核因子Y（NF-Y）的B和C亚基缔合以形成NF-在黄昏时促进FT表达，而Polycomb组（PcG）蛋白用于沉默FT表达。 NF-CO如何拮抗PcG蛋白调节FT表达的功能尚不清楚。

在这里，研究人员显示通过染色质循环结合到近端FT启动子的NF-CO复合物与结合到远端增强子的NF-Y复合物协同作用，以降低PcG蛋白质的水平，包括Polycomb抑制复合物1（PRC1 ）和PRC2在FT启动子上，导致Polycomb沉默的解除，从而FT在黄昏时抑制。因此，该研究提供了分子观察，了解'活跃'光周期途径和'抑制性'Polycomb沉默系统如何相互作用以控制时间FT表达，从而赋予拟南芥开花的长时间诱导。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/tpj.13926

春化作用是指某些植物必须经历一段时间的持续低温才能由营养生长阶段转入生殖阶段生长的现象。植物如何响应并记忆长时间的低温处理即春化作用一直是表观遗传学和发育生物学研究的热点。解析植物如何响应冬季低温，并在春季气温上升后能“记住”其冬季低温经历、以适时开花的分子机制，具有重要的理论和实际应用价值。它可确保植物在破坏性的冬季避免开花，而在温暖的春季开花结实。该机制的解析与作物栽培、引种驯化、杂交育种等密切相关。

作用模型

该课题组前期在Nature Genetics报道了拟南芥营养生长时期， 一类B3转录因子VAL1或VAL2可以识别负调控开花的关键基因FLC的顺式DNA元件 （低温记忆元件）， 并且招募PRC2复合体催化FLC位点组蛋白H3第27位赖氨酸的三甲基化 （H3K27me3）, 从而沉默FLC表达，气温上升后VAL蛋白‘滞留’FLC位点以维持其沉默。这一发现解释了在营养生长阶段拟南芥响应和记忆冬季低温的分子与表观遗传机制（Yuan et al., 2016）。

本研究揭示了开花后的胚胎发育早期擦除‘低温记忆’，重新激活FLC基因的分子机制； 此外、研究发现了植物营养生长期的‘胚胎记忆’现象及调控这一现象的表观遗传机理。营养生长阶段的植株经历春化作用后，FLC位点的组蛋白携带大量的H3K27me3等标记，一直处于沉默状态，直至受精作用完成。在胚胎发育早期（原胚）FLC被一个种子特有的‘先驱’转录因子（Pioneer transcription factor）重新激活， 组蛋白上的抑制转录的H3K27me3被逐步消除，而促进FLC表达的组蛋白修饰被大量地添加上去，FLC的激活表达持续整个胚胎发育时期; 并且此激活状态在种子发芽出苗后，因组蛋白标记在细胞分裂中的传递得以维持，形成了苗期的‘胚胎FLC表达记忆’。从而防止植物在过冬前或过冬时开花。

综上，本研究揭示了植物早期胚胎染色质状态重编程的崭新分子机制，同时也阐述了胚胎中的基因激活如何传递到发育后期的表观遗传机理，是开花调控分子与遗传机制的重要突破。该研究不仅具有重要的理论意义，同时也为其在作物花期调控的生产应用提供了新的作用靶点。逆境中心植物环境表观遗传学课题组的何跃辉研究员为通讯作者， 陶增副研究员为第一作者；新加坡国立大学的俞皓实验室合作参与了本项研究。该工作得到了中国科学院和科技部经费的资助。

原文链接：

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature24300.html

开花是高等植物生长繁殖过程中重要的生理现象，是植物由营养生长进入生殖生长的标志。长期以来，植物通过进化形成了复杂精确的机制、以响应内源信号与环境变化来调控开花时间。对拟南芥大量的生理及遗传学分析表明，开花诱导至少由四个主要途径所调节，即春化途径、光周期途径、自主途径和赤霉素途径；其中植物春化作用一直是植物发育生物学研究的热点和难点。

春化作用是指某些植物必须经历一段时间的持续低温才能由营养生长阶段转入生殖阶段生长的现象。解析植物如何感知低温时期，并在气温上升后能“记住”其低温经历、以适时开花的分子机制， 具有重要的理论和实际应用价值。它可确保植物在破坏性的冬季避免开花，而在温暖的春季或夏季开花。该机制的解析与作物栽培、引种驯化、杂交育种等密切相关。

 图. VAL1与VAL2蛋白结合在FLC位点的冷记忆顺式DNA元件CME （cis-acting cold memory element）并与LHP1蛋白互作、识别抑制性组蛋白修饰-H3K27me3， 进而招募PRC2复合体以催化H3K27me3及抑制FLC基因表达

先前的研究表明，模式开花植物拟南芥的开花受到一个叫做FLOWERING LOCUS C （FLC） 基因的抑制。在低温条件下，包裹在该基因DNA周围的组蛋白被逐步修饰，进而导致该基因的表达关闭，最终让植物在气温上升后、能够从发育的“生长”阶段切换到“开花”阶段。虽然早期的研究已经确定了参与FLC基因关闭的调节蛋白， 但对参与该过程的调节因子及作用机制却知之甚少。何跃辉研究组在早期的研究中揭示了超级蛋白复合体CBC-COMPASS 和 CBC-EFS协同互作，通过调控组蛋白H3K4me3和H3K36me3的修饰、而提高FLC 基因表达水平 （Li et al., Nature Plants，2016）。在本研究中，何跃辉研究组发现一个顺式DNA元件与一个识别该元件并同时识别组蛋白标记的反式蛋白、协同调控低温介导的抑制性组蛋白修饰-H3K27me3，从而沉默FLC基因表达。 这一顺式元件与其反式蛋白的互作亦使植物在气温上升后能“记亿”（保持）低温诱导的FLC沉默，而使植物只在温暖的季节开花。

该研究揭示了冷记忆顺式DNA元件与其识别蛋白、在开花调控中发挥重要功能，是植物开花调控分子机制的重要进展。该研究不仅对表观遗传修饰调控植物开花的分子机制迈出了关键的一步，同时也为其在花期调控的生产应用提供了新的作用靶点。该工作得到了中国科学院经费的支持。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/ng.3712

生物体内编码基因要正确执行其功能，需要经历DNA的复制、转录和翻译过程，即基因表达过程。真核生物基因表达的转录前水平调节是基因表达调控过程中最重要的环节，mRNA前体的转录起始在表观遗传学水平上受到多种转录因子以及染色质修饰与重塑的调控。其中组蛋白H3K4me3和H3K36me3两种修饰对转录起始和延伸起到促进作用，且控制其修饰的蛋白复合体在真核生物中是高度保守的，在模式植物拟南芥中分别为COMPASS蛋白复合体和EFS酶。被转录的mRNA前体随后在其5’端发生加帽修饰，这一过程除抑制mRNA降解之外、还有助于mRNA共转录加工及翻译。新合成的5’帽子结构被CBC蛋白复合体（由CBP20和CBP80构成）所识别与保护，同时CBC还有助于mRNA加工过程的进行。到目前为止，CBC对转录的调控仍不清楚。染色质修饰与mRNA间的是否有互作关系，鲜有报道。

图1. CBC(CBP20)调控FLC位点的H3K4me3 and H3K36me3

在本研究中，我们利用模式植物拟南芥为研究对象发现CBC蛋白复合体与COMPASS蛋白复合体以及EFS之间存在直接的相互作用，形成超级蛋白复合体。在复合体中、CBC与这些促进转录的染色质修饰因子相互依存，协同调控基因的转录以及共转录加工过程，从而高效调控mRNA的水平。

图2. CBC(CBP20)调控拟南芥基因组多个位点的H3K4me3

在对拟南芥开花主效基因FLC表达调控的研究中我们发现，其mRNA的水平受到转录和共转录加工两个过程的协同调控。其表达受到COMPASS蛋白复合体与EFS酶分别催化的H3K4me3和H3K36me3的修饰正调控，同时也需要CBC复合体。CBC-COMPASS 及 CBC-EFS协同提高 FLC mRNA 水平，从而控制植物的开花时间、使其在合适的环境条件下开花结果。同时利用ChIP-seq 在基因组水平的分析表明除FLC外、有超过300个基因也有可能受到CBC-COMPASS 及 CBC-EFS协同调控。

图3. CBC, COMPASS-like 及EFS 协同调控mRNA（基因表达）水平的模型

在真核细胞生物中，H3K4me3和H3K36me3修饰对基因表达转录的促进作用是广泛存在的，而COMPASS蛋白复合体，CBC蛋白复合体和EFS也相应的高度保守，因此我们的发现可能同样适用于其他真核生物。本研究的发现揭示了染色质修饰因子与RNA加工相关蛋白互作以协同调控基因表达的机制，不仅拓宽了我们对染色质修饰与RNA加工因子功能的认知，也为真核生物基因表达调控领域研究提供了新的视角和研究思路。该研究项目在逆境中心得到了中科院经费的支持。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/nplants201615

注：文章解析部分转自逆境中心官网

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