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“断臂信使”EIN2-C与组蛋白乙酰化修饰

点击次数:532 发布时间:2020-12-19

在20世纪60年代,乙烯被确定为一种植物内源激素。乙烯对种子萌发、果实成熟、器官脱落和衰老等多种生理过程,以及植物在应对生物和非生物胁迫中都发挥重要作用【1-4】。在有乙烯存时,EIN2 C端去磷酸化,从内质网切割下来进入细胞核,在乙烯信号传导中发挥关键作用,但其生物学功能仍然令人困惑。

 

2015年9月25日,美国德克萨斯大学奥斯汀分校乔红实验室在Nature Communications发表了题为EIN2-dependent regulation of acetylation of histone H3K14 and non-canonical histone H3K23 in ethylene signaling的研究论文。该研究发现乙烯特异性提高了黄化幼苗中组蛋白H3K14的乙酰化和H3K23的非经典乙酰化水平。而H3K14Ac和 H3K23Ac水平在ein2-5中显著降低。以EIN2 CEND(EIN2 C-terminal end)酵母双杂交筛选,作者发现了一个包含SANT 结构域的蛋白ENAP1 (EIN2 nuclear associated protein 1)ENAP1ox株系展现出短的下胚轴,表明ENAP1正向调控对乙烯的响应。之前的研究表明,包含SANT 结构域的蛋白能够和组蛋白相互作用【5,6】。基于此项报道,作者发现ENAP1可以和H3互作,并提高H3在K14 和 K23的乙酰化水平。遗传分析发现,ein2-5ein3-1eil1-1 都可以部分恢复ENAP1ox的表型。另外,ENAP1 也可以和 EIN3相互作用,表明EIN2、ENAP1 和 EIN3三者可能作为一个复合体参与对乙烯的响应。

在有乙烯时,EIN2对于H3K14Ac和H3K23Ac的升高至关重要

EIN2参与调控乙烯介导的H3K14Ac和 H3K23Ac的水平升高,但是机制不清楚。2017年9月19日,乔红团队在PNAS发表了题为EIN2 mediates direct regulation of histone acetylation in the ethylene response的研究论文,回答了这个科学问题。该研究发现,H3K14Ac和H3K23Ac的水平与EIN2蛋白的水平相关,而且EIN2-C足以挽救ein2-5的H3K14 / 23Ac水平。EIN2-C不包含DNA结合结构域,那么EIN2-C是怎么与染色质缠绕来调控组蛋白的乙酰化水平的?桥梁蛋白ENAP1再次映入作者的脑海中。通过对乙烯处理的pENAP1-ENAP1-YFP转基因株系进行ENAP1-ChIP/EIN2-reChIP分析发现,在ENAP1和EIN2结合的1,739个基因中,在有乙烯时,超过50%的ENAP1-ChIP / EIN2-reChIP靶标与ENAP1结合靶标重叠。进一步的,作者发现乙烯通过调控EIN2-C与ENAP1的结合能力,而非ENAP1的蛋白水平来介导H3K23Ac的升高。无论是否存在乙烯,在Col-0中受乙烯调节的基因中,有超过92%的基因在ENAP1OE/ein2-5中没有差异表达,表明ENAP1在乙烯响应中依赖于EIN2。总之,在没有乙烯的时,ENAP1与组蛋白结合,潜在保留开放的染色质状态,以保证植物能够快速响应乙烯刺激。

 

gRNA-EIN3-T/dCas9-EIN2-C部分恢复ein2-5的表型

既然乙烯可以改变组蛋白的乙酰化水平,那么一个科学问题跃然纸上:在这个乙烯调控的生物学过程中,修饰组蛋白乙酰化的酶是什么?这包括组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases, HDACs)。2018年1月3日,乔红团队在The Plant Cell发表了题为Histone deacetylases SRT1 and SRT2 interact with ENAP1 to mediate ethylene-induced transcriptional repression的研究论文。在该研究中,作者在以ENAP1 or EIN2-C进行的酵母双杂交筛选中,发现两个HDACs:SRT1和SRT2。无论是否有乙烯时,SRT1和SRT2都以与ENAP1结合,并且乙烯可以增强这种结合。转录组分析发现,在Col-0中被乙烯抑制的基因中,约50%在乙烯处理的str1-1 srt2-1突变体中无响应,表明乙烯诱导基因的转录抑制依赖于SRT1和SRT2。另外,与Col-0相比,在srt1-1 srt2-1中,H3K9Ac水平显着增加,而H3K14Ac和H3K23Ac水平上没有显著差异,表明SRT1/2是拟南芥组蛋白去乙酰化酶,并在K9位点调节H3的乙酰化。遗传数据也支持这一观点,SRT2ox/ein2-5 SRT2ox/ein3-1 eil1-1对乙烯的响应都依赖于EIN2和EIN3。综上所述,在乙烯存在下,ENAP1募集SRT1和SRT2去除H3上K9的乙酰基,在乙烯抑制基因的启动子上保持低水平的H3K9Ac来抑制它们的表达。

 SRT1和SRT2调控H3K9Ac的工作模式图

行文至此,EIN2调控组蛋白乙酰化的机制渐渐清晰,但是别忘了在乙烯信号通路中还有一个“兵团司令”EIN3,EIN3又是怎么调控乙烯介导的表观遗传修饰呢?欲知后事如何,且听下回分解。

 

乔红,在中科院遗传发育所取得博士学位,随后在Salk开展博士后研究。2013年,乔红就职于美国德克萨斯大学奥斯汀分校,研究方向是激素和胁迫信号调控下的染色质修饰与基因调控。经过多年探索,乔红团队已在期刊上发表多篇重要论文,在乙烯信号通路的解析以及乙烯对组蛋白修饰的调控机制研究中取得了一系列重要进展。

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