在近期发表于《国家科学评论》 (National Science Review, NSR) 的文章中,中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风研究组阐述了去甲基化酶REF6参与拟南芥高温响应的分子机制:在高环境温度下,REF6去除GA20ox2和bHLH87基因上的H3K27me3甲基化修饰,使这两个基因被激活,从而引发拟南芥的“高温形态建成”,表现出叶柄和下胚轴伸长等一系列表型;研究者还发现,该过程还需要高温形态建成关键转录因子PIF4的参与,在REF6去除bHLH87基因的甲基化修饰后,PIF4负责激活该基因的表达,这证明了表观遗传修饰因子与转录因子的协同作用是调控基因表达、帮助植物响应环境信号的重要机制。
在此前的工作中,曹晓风研究组首次报道了拟南芥组蛋白H3K27me3去甲基化酶REF6/JMJ12 (Lu, et al. Nature Genetics, 2011),它能够通过其自身锌指结构域特异性识别基因组中的CTCTGYTY基序,从而去除H3K27me3/me2甲基化修饰,调控基因的时空表达 (Cui, et al. Nature Genetics, 2016; Li, et al. Nature Genetics, 2016)。
REF6参与多种植物生长发育过程,如开花、器官边界形成、侧根发育、叶片衰老、种子休眠等。REF6也在高温诱导的下胚轴伸长过程中扮演重要角色,该研究以这一过程为研究对象,探索表观遗传动态调控机理。
该研究首先通过表型分析发现,REF6功能缺失突变导致植物高温形态建成受到显著抑制,而其他组蛋白H3K27me3去甲基化酶(JMJ11和JMJ13)的功能缺失突变对高温响应正常,表明REF6是拟南芥高温响应过程中发挥主效功能的H3K27me3去甲基化酶。
染色质组和转录组学分析发现,REF6的直接靶基因为GA20ox2(GA 20-oxidases 2,赤霉素合成相关基因)和bHLH87(basichelix-loop-helix 87,转录因子)。这两个基因的表达在高温下被激活,而在ref6突变体中却被抑制。
遗传学分析发现,REF6参与拟南芥高温响应的过程至少部分是通过在高温下激活GA20ox2和bHLH87的表达实现的,且REF6的酶活性对于靶基因的激活是必须的;
进一步研究发现,除REF6之外,bHLH87的基因表达还受到高温形态建成核心转录因子PIF4 (PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR 4)的调控,即REF6负责去除bHLH87基因上的H3K27me3,PIF4负责在高温下激活bHLH87的基因表达,REF6与PIF4之间相互依赖、缺一不可。
该研究揭示了植物高温形态建成的表观遗传调控机制,同时为表观遗传修饰的动态调控与关键转录因子的结合协同调控基因转录提供了直接的证据。曹晓风研究组已毕业博士生何凯璇、博士后梅海亮为该文的共同第一作者,邓娴副研究员与曹晓风研究员为共同通讯作者。该研究工作由国家自然科学基金委、中国科学院、中科院青年创新促进会、海南省崖州湾种子实验室博士后基金、植物基因组学国家重点实验室等提供经费支持。