Nature Commun. | H2A.Z如何行使转录抑制或转录激活的功能？

责编 | 逸云

"该研究解决了拟南芥组蛋白变体H2A.Z介导的转录激活和转录抑制功能依赖何种调控方式的难题，丰富了表观遗传调控的相关理论。"

由于植物不可移动，不可避免的会遭受高温、干旱以及营养胁迫等各种环境胁迫。植物为了生存会迅速对逆境作出响应，其中最主要的就是基因表达的变化。染色质结构对于基因表达变化至关重要。染色质结构受到DNA的修饰，组蛋白的修饰以及组蛋白变体等多个表观因素的调控。研究表明，拟南芥组蛋白变体H2A.Z在逆境胁迫下对基因表达起着重要的调控作用【1】。

拟南芥H2A.Z通常定位于转录起始位点下游，与+1核小体共定位（转录起始位点后的第一个核小体），同时也存在于基因内部区域【2】。定位于基因内部区域的H2A.Z被认为起到转录抑制功能【3】，而对于+1核小体H2A.Z的转录调控功能目前还没定论，早期的研究认为+1核小体H2A.Z起到转录激活功能【4】，而最近有研究报道认为+1核小体H2A.Z起转录抑制作用【5】。目前，对于H2A.Z这两种转录活性的调控机制还未见报道。

近日来自西班牙植物生物化学和光合作用研究所（Institute of Plant Biochemistry and Photosynthesis）的Myriam Calonje课题组揭示了H2A.Z对基因转录水平的调控依赖于其蛋白质修饰类型，AtBMI1介导的H2A.Z单泛素化修饰是H2A.Z发挥转录抑制功能所必需的。相关研究以The repressive role of Arabidopsis H2A.Z in transcriptional regulation depends on AtBMI1 activity为题发表于杂志NATURE COMMUNICATIONS上。

拟南芥H2A.Z由HTA8，HTA9 和HTA11三个基因所编码，表达分析表明HTA9表达量最高，HTA8最低。hta8hta9hta11表现出严重的发育障碍，所以研究者选取hta9hta11作为本课题的研究材料。利用anti-HTA9抗体在野生型中可以检测到两个条带，其分子量的差值约等于一个泛素分子的大小，表明HTA9上存在单泛素化修饰，同时突变体互补试验揭示了HTA9的泛素化修饰发生在129位和132位的赖氨酸残基上，以前者为主（图1）。鉴于脊椎动物研究结果，研究者证明拟南芥的H2A.Z的泛素化修饰依赖于PRC1（Polycomb Repressive Complex 1)。在PRC1的AtBMI1亚基突变体atbmi1a/b/c中，单泛素化修饰的HTA9降到了野生型中的20%以下。

图1 Arabidopsis H2A.Z is modified by monoubiquitination

通过转录组分析，研究者发现单泛素化H2A.Z（H2A.Zub）对基因起着其转录抑制作用。hta9hta11中上调的基因，大部分与atbmi1a/b中上调的基因重合，暗示着H2A.Zub介导了转录抑制功能。将N端融合FLAG标签的FLAG-HTA9_N以及泛素化位点突变的HTA9（FLAG-HTA9_RR）回补到突变体hta9hta11中，并比较转录组差异。通过差异表达分析研究者发现，hta9hta11中下调的基因数目在FLAG-HTA9_N或FLAG-HTA9_RR回补后显著降低，说明FLAG-HTA9_N和FLAG-HTA9_RR都保留着促进转录的功能。而hta9hta11中上调的基因的基因数目，只在FLAG-HTA9_N回补后显著降低，而FLAG-HTA9_RR回补对hta9hta11中上调的基因数目没有显著影响，这些结果说明了H2A.Z的单泛素化修饰介导了其转录抑制功能。

研究者还证明了拟南芥PRC2突变体fie与hta9hta11的上调的基因只有10%的重合，说明H2A.Zub的转录抑制活性并不依赖于PRC2活性。研究者还发现突变体atbmi1a/b/c的下调的基因位点的HTA9的水平显著增多，而上调的基因位点的HTA9含量降低。研究者推测H2A.Z 在基因区的积累水平取决于该基因的转录活性。

图2 Proposed model for H2A.Z-mediated gene regulation

基于本研究的结果，结合最近的H2A.Z的乙酰化修饰调控转录激活的相关研究【6】，研究者提出H2A.Z调控基因转录的相关模型：+1核小体中H2A.Z的单泛素化修饰抑制转录，乙酰化修饰促进转录；而基因区的H2A.Z水平是受基因转录活性控制的被动积累，基因上调抑制基因区H2A.Z的积累，而基因下调促进H2A.Z的积累（图2）。总之，该研究阐明了H2A.Z单泛素化产生的分子基础及相关功能，解决了长期存在的H2A.Z介导的转录激活和转录抑制功能依赖何种调控方式的难题，丰富了表观遗传调控的相关理论。

参考文献

【1】 Kumar, S. V. & Wigge, P. A. H2A.Z-containing nucleosomes mediate the thermosensory response in Arabidopsis. Cell 140, 136–147 (2010)

【2】 Zilberman, D., Coleman-Derr, D., Ballinger, T. & Henikoff, S. Histone H2A.Z and DNA methylation are mutually antagonistic chromatin marks. Nature 456, 125–129 (2008)

【3】Coleman-Derr, D. & Zilberman, D. Deposition of histone variant H2A.Z within gene bodies regulates responsive genes. PLoS Genet. 8, e1002988 (2012).

【4】Sura, W. et al. Dual role of the histone variant H2A.Z in transcriptional regulation of stress-response genes. Plant Cell 29, 791–807 (2017)

【5】 Dai, X. et al. H2A.Z Represses gene expression by modulating promoter nucleosome structure and enhancer histone modifications in Arabidopsis. Mol. Plant 10, 1274–1292 (2017).

【6】 Colino-Sanguino, Y., Clark, S. J. & Valdes-Mora, F. H2A.Z acetylation and transcription: ready, steady, go! Epigenomics 8, 583–586 (2016)

原文链接：

www.nature.com/articles/s41467-019-10773-1