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曹晓风研究组在植物表观遗传动态调控及其在环境温度响应中的作用研究中取得新进展
        全球气候变暖正严重影响着植物的生长发育和地理分布,并对农业生产领域造成威胁。在高环境温度下,植物会表现叶柄和下胚轴伸长等一系列表型,即高温形态建成。表观遗传修饰在调节植物生长发育和环境响应等方面发挥了重要作用,其中,组蛋白共价修饰通过影响染色质的状态而调控基因表达等过程。组蛋白H3第27位赖氨酸的三甲基化修饰(H3K27me3)通过维持基因的沉默状态,在动植物细胞命运决定以及生长发育中发挥重要的调控作用。基因组中特定位点的H3K27me3修饰水平由组蛋白甲基转移酶和去甲基化酶进行动态调控。中国科学院遗传与发育生物学研究所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,它能够通过其自身锌指结构域特异性识别基因组中CTCTGYTY基序从而去除H3K27me3/me2甲基化修饰,调控基因的时空表达 (Lu, et al. Nature Genetics, 2011; Cui, et al. Nature Genetics, 2016; Li, et al. Nature Genetics, 2016),且REF6对靶位点的识别受到DNA甲基化修饰的抑制(Qiu, et al. Nature Commun, 2019)。有意思的是,REF6能够与热激转录因子HSFA2形成正向反馈回路从而维持植物对高温的传代记忆(Liu, et al. Cell Research, 2019)。REF6参与植物多方面生长发育过程,如开花、器官边界形成、侧根发育、叶片衰老、种子休眠等。研究者发现REF6功能缺失突变表现为高温诱导的下胚轴伸长受阻表型。尽管研究者在表观修饰因子REF6对靶基因的识别方面已有所了解,但是对REF6在识别靶基因、发挥酶活性以及靶基因激活表达的顺序关系方面的认知并不全面。鉴于前人在下胚轴响应温度变化方面有较多研究,因此研究者利用该温度响应系统对表观遗传动态调控机理进行了深入研究。
 
        该研究利用遗传学、染色质组学、转录组学、及生物化学等研究手段,揭示了REF6参与拟南芥高温响应的分子机制,证明了表观遗传修饰因子与转录因子协同作用调控基因表达从而响应环境信号的重要作用。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功能缺失突变对高温响应正常,表明REF6在拟南芥高温响应过程中发挥主效功能;染色质组和转录组分析发现,REF6的直接靶基因赤霉素合成相关基因GA20ox2 (GA 20-oxidases 2)和转录因子bHLH87 (basic helix-loop-helix 87)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过程至少是部分通过在高温下激活这两个靶基因的表达实现的,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,bHLH87的基因表达同时受到REF6和高温形态建成核心转录因子PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR 4 (PIF4)的共同调控,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,它们之间相互依赖、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。
 
        该项研究成果于2021年11月25日在National Science Review在线发表(DOI:10.1093/nsr/nwab213),中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风研究组已毕业博士生何凯璇、博士后梅海亮为本文的共同第一作者,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。
 
 
图:表观遗传因子REF6与高温转录因子协同促进基因转录激活和高温形态建成