染色質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)對于真核生物基因組穩(wěn)定性與基因表達調(diào)控有著至關(guān)重要的作用。其中，結(jié)構(gòu)蛋白是染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)形成和維持的必要因子。CCCTC-結(jié)合因子（CTCF）是一種高度保守的含鋅指轉(zhuǎn)錄因子，是研究最廣泛的三維染色質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)控因子；黏連蛋白（Cohesin）通過DNA環(huán)擠壓參與染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的形成，二者在全基因組拓撲相關(guān)結(jié)構(gòu)域（Topologically associating domains，TAD）和TAD內(nèi)部染色質(zhì)環(huán)的形成中不可或缺。果蠅中存在多種結(jié)構(gòu)蛋白，與組蛋白修飾共同調(diào)節(jié)區(qū)室結(jié)構(gòu)域（Compartment domain，CD）的穩(wěn)定性。然而，植物染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)與動物有所不同。在植物中，組蛋白修飾與多梳蛋白復(fù)合物（Polycomb complex）同樣參與三維基因組的調(diào)控，但并不存在CTCF的同源蛋白，目前也尚未出現(xiàn)關(guān)于植物中染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的調(diào)控蛋白的研究。
2024年11月19日，蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點實驗室、北京大學現(xiàn)代農(nóng)學院、北京大學-清華大學生命科學聯(lián)合中心周岳課題組在Molecular Cell上在線發(fā)表了題為“EMF1 functions as a 3D chromatin modulator in Arabidopsis”的研究論文，揭示了植物特異的PcG家族蛋白EMF1（EMBRYONIC FLOWER1）結(jié)合在CD邊界，并與cohesin共同維持擬南芥染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
周岳課題組通過遺傳學和多組學方法綜合分析了EMF1蛋白在全基因組的結(jié)合特性及emf1突變體的三維結(jié)構(gòu)變化。研究結(jié)果顯示，EMF1結(jié)合于CD邊界并維持了擬南芥染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在emf1突變體中，H3K4me3、H3K27me3和H3K9me2CD邊界強度均有明顯下降。隨后，本研究綜合分析了組蛋白修飾、EMF1結(jié)合位點以及emf1突變體中的結(jié)構(gòu)變化，證明EMF1作為邊界蛋白既可以獨立于上述三種修飾調(diào)控染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)，也可以和H3K27me3或H3K9me2協(xié)同作用于三維基因組的穩(wěn)定性。在染色質(zhì)環(huán)層面，EMF1維持CD內(nèi)部染色質(zhì)環(huán)的相互作用強度并間接阻隔了異常長距離相互作用的形成。
此外，本研究發(fā)現(xiàn)擬南芥cohesin復(fù)合體SCC3亞基和EMF1存在直接相互作用。借助基因組學實驗，本研究證明了擬南芥中cohesin復(fù)合體結(jié)合在CD邊界并與EMF1在全基因組范圍內(nèi)共定位。結(jié)合信號峰的富集情況和基序富集分析發(fā)現(xiàn)，EMF1和SCC3的結(jié)合位點中均顯著富集G-box基序，這暗示著EMF1可能被cohesin招募到特異位點并共同發(fā)揮作用。另外，通過RNAi技術(shù)，本研究發(fā)現(xiàn)當cohesin復(fù)合體無法正常發(fā)揮功能時，擬南芥CD邊界強度也出現(xiàn)明顯下降。這些結(jié)果均表明，EMF1與cohesin共同維持擬南芥染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
圖1 EMF1與cohesin共同調(diào)控擬南芥染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性
北京大學現(xiàn)代農(nóng)學院周岳研究員和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院何航研究員為本文共同通訊作者。北京大學前沿交叉學科研究院博士生舒家悅、北京大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院已出站博士后孫林華（現(xiàn)為南京師范大學生命科學學院研究員）、北京大學前沿交叉學科研究院博士生王鼎岳、北京大學現(xiàn)代農(nóng)學院已出站博士后尹曉暢（現(xiàn)為海南大學南繁學院副研究員）和博士生楊敏琪為本文共同第一作者。該研究得到科技創(chuàng)新2030-重大項目、國家自然科學基金、中國科學院青年交叉團隊、蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點實驗室、北京大學現(xiàn)代農(nóng)學院、北京大學-清華大學生命科學聯(lián)合中心的資助。
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