正確的染色質(zhì)狀態(tài)對(duì)維持基因組穩(wěn)定和保證基因正常轉(zhuǎn)錄至關(guān)重要。PcG（Polycomb group）家族蛋白不僅通過添加組蛋白修飾，也通過調(diào)節(jié)染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)來(lái)影響染色質(zhì)狀態(tài)。PRC1（Polycomb repress complex 1）復(fù)合體的核心組分BMI1s（B LYMPHOMA MOLONEY MURINE LEUKEMIA VIRUS INSERTION REGION 1 HOMOLOG 1A/B/C）是擬南芥中的E3泛素連接酶，介導(dǎo)H2AK121ub的添加。同時(shí)，在三維結(jié)構(gòu)方面，BMI1s也被報(bào)道對(duì)CD（Compartment domain）結(jié)構(gòu)具有普遍的維持作用，但是其具體的作用機(jī)制仍不清楚。condensin復(fù)合體為SMC（Structural maintenance of chromosome）復(fù)合體的一種，保守存在于原核及真核生物中，因其在分裂期壓縮染色質(zhì)的能力而得名，但其在間期對(duì)染色質(zhì)的調(diào)節(jié)作用研究相對(duì)落后。
2025年2月17日，基因功能研究與操控全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院、北京大學(xué)-清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心周岳課題組在aBIOTECH上發(fā)表了題為“BMI1s interact with condensin complexes to regulate chromatin 3D structure and gene expression in Arabidopsis”的研究論文。揭示了BMI1s與condensin復(fù)合體共同維持?jǐn)M南芥CD結(jié)構(gòu)，為基因正常轉(zhuǎn)錄提供合適的染色質(zhì)環(huán)境。
周岳課題組首先通過酵母雙雜交篩選到BMI1A的互作蛋白condensin復(fù)合體組分CAP-H（Chromosome-associated protein-H），猜測(cè)BMI1s與condensin復(fù)合體可能通過互作進(jìn)行一系列共調(diào)控。擬南芥中存在condensin Ⅰ和Ⅱ兩種condensin復(fù)合體，由同源但不同的非SMC蛋白（CAP-D2/D3, G/G2, H/H2）分別與共享組分SMC2和4組成，因此該研究在體外同時(shí)驗(yàn)證了BMI1A與CAP-H/H2的互作。通過比較bmi1a/b/c和condensin突變體內(nèi)的組蛋白修飾水平，發(fā)現(xiàn)BMI1s與condensin Ⅰ和Ⅱ均不能夠共調(diào)控H3K27me3或H2AK121ub這兩種PcG介導(dǎo)的組蛋白修飾。
圖1 BMI1A與condensin復(fù)合體組分CAP-H/H2互作
此后，該研究通過Hi-C實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)BMI1s與condensin Ⅰ和Ⅱ均可以維持CD結(jié)構(gòu)內(nèi)部染色質(zhì)相互作用。除此以外，BMI1s與condensin復(fù)合體調(diào)控的CD絕大部分重合，二者互作并共調(diào)控了染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)。在野生型擬南芥中，BMI1s、condensin Ⅰ和Ⅱ共調(diào)控的CD強(qiáng)度高于任意兩個(gè)復(fù)合體或某個(gè)復(fù)合體單獨(dú)調(diào)控的CD，說明一些高強(qiáng)度的CD可能需要BMI1s與condensin的共同維持，以保證基因組穩(wěn)定和正常轉(zhuǎn)錄。
圖2 BMI1s與condensin復(fù)合體共同維持CD結(jié)構(gòu)
最后，該研究還觀察到BMI1s與condensin復(fù)合體的破壞均會(huì)導(dǎo)致一系列基因的轉(zhuǎn)錄異常，主要體現(xiàn)為環(huán)境響應(yīng)基因。根據(jù)近期研究顯示，冷脅迫等刺激下，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)被精細(xì)調(diào)控以響應(yīng)脅迫，而整體三維基因組仍保持穩(wěn)定，該研究猜測(cè)BMI1s與condensin復(fù)合體協(xié)同穩(wěn)定脅迫下的染色質(zhì)3D結(jié)構(gòu)。
圖3 BMI1s與condensin復(fù)合體共同維持一系列基因表達(dá)
北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院周岳研究員為論文通訊作者。北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院博士研究生駱凌瀟和楊敏琪為本文并列第一作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技創(chuàng)新2030-重大項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院青年交叉團(tuán)隊(duì)、基因功能研究與操控全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院、北京大學(xué)-清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心的資助。
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