Nature Commun. | 加州大学/福建农林大学合作团队揭示组蛋白变体H2A.Z在染色质上的沉积机制
在各种细胞进程中，染色质的动态变化对于调控基因的表达水平起着非常重要的作用。核小体是染色质的基本单位，由两份H2A、H2B、H3和H4组成的组蛋白八聚体以及外面缠绕147bp左右的DNA组成【1】。真核生物基因组还包含很多组蛋白的变体，组蛋白和变体之间的相互替换是调节核小体的动态结构和染色质可接近性的一种有效方式。
H2A.Z是一个保守的组蛋白变体，具有重要的基因转录调控功能。位于转录起始位点的第一个核小体（+1核小体）的H2A.Z的单泛素化修饰介导转录抑制，而乙酰化修饰介导H2A.Z的转录激活功能（点击查看此前的报道：Nature Commun. | H2A.Z如何行使转录抑制或转录激活的功能？）【2】。H2A.Z在染色质上的沉积（deposition）即以H2A.Z-H2B二聚体替换H2A-H2B二聚体，由染色质重塑复合物SWR1所催化【3】。目前发现，拟南芥SWR1复合物至少包含11个亚基，包括催化活性亚基PIE1以及其他ARP6、SEF、SWC2、SWC4等10个亚基【4】。但是拟南芥SWR1复合物是否包含其他组分以及SWR1如何靶定到特定染色质区域，一直还不清楚。
近日，加州大学洛杉矶分校的Steven E. Jacobsen教授团队和福建农林大学Israel Ausin教授团队合作发现MBD9蛋白（methyl-CpG binding domain 9）可以与SWR1复合物相互作用，帮助SWR1在部分转录活跃的基因区域进行H2A.Z的沉积。该研究进一步解析了H2A.Z沉积的机制，相关研究结果以Arabidopsis SWR1-associated protein methyl-CpGbinding domain 9 is required for histone H2A.Z deposition为题发表在Nature Communication上。加州大学洛杉矶分校Jacobsen团队Magdalena Potok博士和福建农林大学Ausin团队王亚飞博士为该论文的第一作者。
该研究通过IP-mass实验发现，SWR1复合物的一个保守亚基ARP6可以与MBD9相互作用。MBD9包含一个结合甲基化CpG的结构域，但由于数个保守氨基酸的突变，MBD9并不具备结合甲基化DNA的能力【5】。MBD9除了可以和SWR1复合物互作，还可以和染色质重塑复合物ISWI互作，暗示其在这两个复合物中均发挥作用。突变体 mbd9-3和arp6-1间遗传分析表明，在控制开花时间方面ARP6对MBD9具有上位效应，表明二者以相同途径调控开花。
图1：ARP6 and MBD9 interaction and phenotype of the mutants.
接着研究人员探索了MBD9对于H2A.Z沉积的影响。结果表明，H2A.Z含量在wild type, mbd9-3, arp6-1, arp6-1 mbd9-3中依次降低。与之相对应的是，与野生型相比，mbd9-3, arp6-1, arp6-1 mbd9-3所富集基因数数目依次降低，并且三个突变体中这些H2A.Z缺失的基因高度重叠。RNA-seq实验表明，无论上调基因还是下调基因在mbd9-3, arp6-1, arp6-1 mbd9-3中均高度重叠。这些结果证实了MBD9和ARP6位于同一途径调控H2A.Z沉积，影响基因表达。
图2：Characterization of H2A.Z in wild type and mutant chromatin.
进一步的MBD9 ChIP-seq实验表明，MBD9主要富集于转录起始位点上游的1KB的启动子和基因间区。MBD9的信号峰与ATAC-seq 的信号峰相互重叠，均位于H2A.Z信号峰的上游。MBD9所富集的区域具有特异的染色质特征，这些区域是核小体稀少的开放性染色质（open chromatin），富含H3K4me3及H3Ac等组蛋白激活修饰，而组蛋白抑制性修饰H3K27me3含量较低，与多梳复合物（Polycomb Group Complex）所控制的基因区域显著不同。
综合以上结果，该研究鉴定到了拟南芥染色质重塑复合物SWR1的一个新的组份MBD9，进一步完善了SWR1复合物调控H2A.Z沉积的机制。鉴于H2A.Z在不同物种间功能的高度保守性，该结果为其他物种中的相应研究也提供了借鉴。
参考文献
【1】 Luger, K., Rechsteiner, T. J., Flaus, A. J., Waye, M. M. & Richmond, T. J.Characterization of nucleosome core particles containing histone proteins made in bacteria. J. Mol. Biol. 272, 301–311 (1997).
【2】G Mez-zambrano, Á., Merini, W. & Calonje, M. The repressive role of Arabidopsis H2A.Z in transcriptional regulation depends on AtBMI1 activity. Nature Communications, 10, 2828 (2019).
【3】Mizuguchi, G. et al. ATP-driven exchange of histone H2AZ variant catalyzed by SWR1 chromatin remodeling complex. Science 303, 343–348 (2004).
【4】Verbsky, M. L. & Richards, E. J. Chromatin remodeling in plants. Curr. Opin. Plant Biol. 4, 494–500 (2001).
[5] Berg, A. et al. Ten members of the Arabidopsis gene family encoding methylCpG-binding domain proteins are transcriptionally active and at least one, AtMBD11, is crucial for normal development. Nucleic Acids Res. 31, 5291–5304 (2003)
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-019-11291-w