擬南芥應答環境變化的表觀遺傳學調控研究進展

李漢梁，陳素珠，洪蟬緣，林雪嬌

（福建師范大學，福建 福州 350108）

在植物生長發育過程中，植物的應答調控對植物適應外界環境變化，進行正常的生長、發育與再生起著至關重要的作用。有些應答決定著植物正常的生長與發育的時機，如植物對于開花的時機的調控受光周期、春化作用等的影響［1］。有些應答使植物可以在一定程度上適應不良的環境，得以生存下來，如對低溫的應答反應、對鹽的應答反應、對病原菌的免疫應答反應和對干旱的應答反應等。表觀遺傳學是20世紀80年代逐漸興起的一門學科，研究的是在不改變DNA序列的前提下，某些機制所引發的可穩定遺傳的基因表達或細胞表型的變化［2］。本文總結了組蛋白變體H2A.Z在擬南芥各種應答反應中所扮演的角色，闡述了組蛋白的甲基化修飾對于擬南芥開花過程調控的重要意義，并列舉了擬南芥其他一些應答反應的表觀遺傳學調控機理。

1 表觀遺傳學調控在應答反應中的調控作用

表觀遺傳學研究的方向大體可分為兩類：研究基因的選擇性轉錄表達調控與基因轉錄后調控。其中，前者研究的現象包括染色質的重塑、組蛋白的共價修飾、DNA的甲基化、基因印記及假基因等；后者研究的現象包括RNA的可變剪接、非編碼的RNA、核糖開關等。組蛋白依據凝膠電泳性質分為5類：H1、H2A、H2B、H3、H4。由核心組蛋白H2A、H2B、H3、H4各兩個拷貝組成組蛋白八聚體，組蛋白八聚體在組蛋白H1的作用下形成穩定結構，其周圍纏繞的核心DNA約1.65圈、合147個堿基對，再加上鄰近的一段20～50個堿基對的DNA連接子共同構成染色質的基本單位——核小體［3］。核小體這種緊密的結構不利于轉錄的進行，通過染色質的重塑、組蛋白變體的相互作用和組蛋白的共價修飾可以改變這種情況。雖然組蛋白八聚體中組蛋白變異體的功能尚未完全明確，但組蛋白變異體形成的明顯不同的染色質結構確實起到了重要的生物學作用。在核心組蛋白中H2A家族的變異體種類最多，目前在自然界（包括動物和部分植物）中存在H2A.Z、MacroH2A、H2A.Bbd、TH2A和 H2A.X這五種變體均能參與核小體的形成，影響核小體的穩定性［3］。在核心組蛋白中有兩個結構域：組蛋白球形折疊區和氨基末端（N端）結構域。其中，氨基末端伸出核小體，可與調控蛋白和DNA相互作用，上面的一些特異位點常被組蛋白修飾酶共價修飾，這些修飾包括乙酰化、甲基化、磷酸化、ADP核糖基化、泛素化、SUMMO化和羥基化等［3］。

2 擬南芥應答基因轉錄調控中的H2A.Z

H2A.Z在擬南芥的基因表達調控中扮演著重要的角色。擬南芥中ARP6基因編碼的蛋白是SWR1復合物的重要組成，是升溫應答調控中的重要因子。ARP6的突變會引發H2A.Z的缺失，從而導致擬南芥在正常溫度下異常啟動溫度應答基因，表現出在溫暖環境中的表型［4］。常溫（22℃）下，在溫度應答基因的啟動位點的第一個核小體處有H2A.Z的聚集，而在較溫暖的環境（27℃）中H2A.Z會減少或被替換為正常的H2A。此外，在環境溫度改變的信號引發的基因激活或抑制中都有H2A.Z丟失的現象。這些數據顯示在轉錄起始位點的H2A.Z的存在有助于基因的應答調控。在磷酸鹽缺乏的應答反應［5］與系統獲得性應答中也有相似的現象［6］。在ARP6突變的植株中磷酸鹽缺乏的應答基因會在正常情況下啟動，并使植物表現出與磷酸鹽缺乏類似的性狀。在野生型植株中，這些基因在轉錄起始位點附近的核小體中都含有H2A.Z，并在正常情況下維持在一個比較低的表達水平［5］。系統獲得性抗性基因在植物激素水楊酸的調控下正常表達，但在H2A.Z突變及SWR的組成成分PIE1和SEF突變體中處于持續表達狀態，并使植株表現出自發的細胞死亡和病院抗性的增強［6］。在實驗中，H2A.Z或SWR1復合體發生突變應答基因表現出了與正常植株在相應誘導信號出現時相同的轉錄水平的改變。綜上所述，H2A.Z的功能很可能是用來在沒有相應誘導信號出現時抑制應答基因的表達。

利用基因組分析技術發現，在擬南芥中H2A.Z不僅如其他生物一樣在轉錄起始位點的第一個核小體上聚集，還出現在一些低表達的基因體（gene body）中［7］。有趣的是有研究表明那些在基因體中的H2A.Z與基因的較高級的應答調控相關［8］。H2A.Z會在那些對環境或變化的刺激進行應答的基因體中聚集，如果H2A.Z缺失會導致這些基因的轉錄發生錯誤的調控。研究者們認為在基因體中的H2A.Z使基因的表達更具變化性。在擬南芥中在上述脅迫應答基因中發生的基因誘導和動態的核小體的重塑顯著改變了核小體的密度與組蛋白的修飾［9］。H2A.Z可能在一定程度上參與了應力應答基因的基因體中核染色質的動態改變。而基因的誘導可以引發組蛋白的置換。擬南芥中另一個保守的組蛋白變體H3.3存在于那些處于轉錄激活狀態的基因的啟動子與基因體中，并可能參與組蛋白的置換［10］。在人體細胞中，如果核小體中同時存在H2A.Z與H3.3會是其相比于那些含H2A／H3或含 H2A.Z／H3的核小體穩定性差［11－12］。同時含H2A.Z和H3.3的核小體的這種不穩定性也許有利于基因體中核小體的移除并促進染色質重塑和組蛋白修飾，使染色質變得有利于轉錄激活的進行。也可能這種不穩定性本身使細胞對胞內環境敏感從而作為胞內外信號的傳感器，在植物的應答反應中可能也存在類似的機制。

3 擬南芥開花調控中的組蛋白甲基化修飾

目前認為組蛋白甲基化只發生在組蛋白的賴氨酸殘基和精氨酸殘基上，其中賴氨酸可以被單、雙、三甲基化，而精氨酸殘基能夠形成單、雙甲基化，其中精氨酸的雙甲基化還可分為對稱與不對稱兩種類型［3］。在組蛋白中已發現的會發生甲基化的位點常見的有H3中第4、9、27、36、79位，H4中第20位的賴氨酸殘基與H3中第2、8、17、26位，H4中第3位的精氨酸殘基［13］。

一般情況下，H3K9與H3K27的甲基化與基因沉默相關，H3K4與H3K36的甲基化與基因的激活相關［3］，H4K20的甲基化與DNA的損傷應答有關［3］，關于組蛋白精氨酸甲基化修飾的生物學功能現在研究得較少，H3R2me2a不對稱的雙甲基化（asymmetric）會拮抗H3K4的三甲基化［5］，因此可能與基因表達抑制相關。

在植物中FLC編碼的蛋白是開花過程中起決定作用的負調控因子，在擬南芥中它受FRI依賴途徑、自主途徑、春化途徑、光周期途徑和赤霉素信號途徑的共同調控。其中FRI依賴途徑、自主途徑與春化途徑都是通過改變FLC染色體的結構調控開花過程的，組蛋白甲基化修飾在其中扮演著重要的角色。

H3K4、H3K36和H3K79的甲基化能促進FLC的表達；而H3K9與H3K27的甲基化會抑制FLC的表達［14－17］。FRI依賴途徑在開花時間的調控中起重要作用是擬南芥所特有的，與其他植物相比在C24型擬南芥中FRI依賴途徑對于開花時間的調控可以取代部分自主途徑的調控。參與FRI依賴途徑的ELF7和ELF8是FLC發生H3K4甲基化所必須［16］，在初始階段由ELF7、ELF8和VIP4等組成的PAF1復合物通過招募EFS來甲基化FLC中的H3K4。之后PAF1結合EFS后可以通過識別這一甲基化信號起始FLC的轉錄的并在EFS的作用下進一步促進H3K4的甲基化［18］。另外PIE1同樣是通過對這一甲基化信號的識別而結合到FLC的核心體中起到穩定這一狀態的作用，維持FLC的高表達［19］。這一機制的存在能有效的防止擬南芥過早開花，同時對這一機制的阻斷是其他促進開花的調控的主要手段。

在擬南芥自主途徑抑制因子FLD和FVE可以促進FLC的去乙酰化進程［20－21］，來阻止ELF7和ELF8的結合，抑制FLC的表達。另外還有研究發現，在擬南芥中存在一種具有催化FLC中H3K36的甲基化活性的甲基轉移酶——SDG8，其對FLC表達的促進作用不受春化作用與光周期調控的影響［17］。

在擬南芥的春化調控途徑中，VIN3在春化過程中被誘導表達，并與相關蛋白組成組蛋白去乙酰化復合物HDAC特異的去乙酰化FLC的H3K9和H3K14阻止EFS對H3K4的甲基化，進而阻斷PAF1復合物對 FLC的轉錄［23－24］。在春化作用后，VIN3表達由于缺少春化作用的持續誘導而下調，對FLC表達的抑制逐漸消失［23］，但在此階段VRN1與VRN2會將促進FLC中H3K9與H3K27的雙甲基化，是FLC異染色質化，從而在春化作用后對FLC進行持續性的抑制，促進開花［25］。

在2004年第一個組蛋白的去甲基化酶LSD1（lysine specific demethylase 1）被發現前，組蛋白的甲基化一直被認為是不可逆的［26］。隨著組蛋白去甲基化酶的陸續發現，完善了組蛋白甲基化修飾的調控機制，表明組蛋白的甲基化修飾是一種更為動態的過程，為表觀遺傳學的研究提供了新的突破口。除了LSD家族，還存在具有更廣泛組蛋白去甲基化酶活性的JMJC家族的蛋白。在擬南芥中目前已經發現了4種與LSD1同源的組蛋白去甲基化酶和21個JMJC家族成員［27］，其中8個已被報道具有一定的生物功能。其中JMJC蛋白對開花的調控研究得相對較多。其中ELF6（Early Flowering 6）／JMJ11在光周期調控中起作用，抑制開花［28］。JMJ14催化開花抑開花途徑整合因子FT、AP、SOC1與LFY中H3K4的去甲基化，防止早花［29］。而REF6（Relative of Early Flowering 6）／JMJ12、JMJ15與JMJ18會抑制FLC的表達而促進開花。其中JMJ15是H3K4me3的組蛋白去甲基化酶，JMJ18是H3K4me2／3的組蛋白去甲基化酶，均能下調FLC中 H3K4的甲基化程度［30－32］。

4 擬南芥應答機制中的其他一些表觀遺傳學調控機制

在不同的生物中，H2A.Z與DNA的甲基化的分布在全基因組中呈負相關性［7，33］，在擬南芥中也不例外［7］。這種明顯的負相關性，DNA甲基化與H2A.Z被認為可能會相互排斥［7］。但在后續研究中發現，全局性的DNA去甲基化會使H2A.Z在正常會被甲基化的基因中聚集，而全局性的破壞H2A.Z并不影響 DNA 的甲基化水平［7－8］。其中DNA去甲基化導致的H2A.Z的插入的原因還有待進一步研究。

與H3和H4的乙酰化相比，H3K4me3的甲基化在擬南芥對干旱的應答反應中，同樣隨著脅迫的出現而快速被誘導起作用，但在應力消失后，乙酰化迅速恢復到誘導前水平，而H3K4me3還會在一定時間內維持一定的水平，發揮著轉錄記憶功能［34－37］。另外，H2B的單泛素化（H2Bub）在擬南芥光形態發生過程中促進了應答的快速反應［38］。

另外在擬南芥中，乙酰轉移酶復合物GCN5的異常會影響開花、結莢、及對鹽和低溫的耐受能力［39］，而去乙酰化酶復合物 HDA6與HDA19均參與了對病原入侵的防御應答和對鹽的應答調控［40－43］。

5 結語

植物對外界刺激的應答反應是植物對不良反應的適應能力。在這些應答反應中，表觀遺傳調控這種高效、可塑的調控機制對于使植物可以在合適的時機進行生殖生長，在資源有限的環境中充分利用資源以及防御災害使植物的種族得以延續中是至關重要的。目前，應答反應中的表觀遺傳學研究才剛剛開始，許多機制的研究還不成系統，更談不上把這些付諸應用實踐。

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