染色質的三維結構對于真核生物基因組穩(wěn)定性與基因表達調控有著至關重要的作用。其中，結構蛋白是染色質高級結構形成和維持的必要因子。CCCTC-結合因子（CTCF）是一種高度保守的含鋅指轉錄因子，是研究最廣泛的三維染色質結構調控因子；黏連蛋白（Cohesin）通過DNA環(huán)擠壓參與染色質高級結構的形成，二者在全基因組拓撲相關結構域（Topologically associating domains，TAD）和TAD內部染色質環(huán)的形成中不可或缺。果蠅中存在多種結構蛋白，與組蛋白修飾共同調節(jié)區(qū)室結構域（Compartment domain，CD）的穩(wěn)定性。然而，植物染色質三維結構與動物有所不同。在植物中，組蛋白修飾與多梳蛋白復合物（Polycomb complex）同樣參與三維基因組的調控，但并不存在CTCF的同源蛋白，目前也尚未出現關于植物中染色質高級結構的調控蛋白的研究。

2024年11月19日，蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室、北京大學現代農學院、北京大學-清華大學生命科學聯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）結合在CD邊界，并與cohesin共同維持擬南芥染色質三維結構的穩(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合特性及emf1突變體的三維結構變化。研究結果顯示，EMF1結合于CD邊界并維持了擬南芥染色質三維結構的穩(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結合位點以及emf1突變體中的結構變化，證明EMF1作為邊界蛋白既可以獨立于上述三種修飾調控染色質三維結構，也可以和H3K27me3或H3K9me2協同作用于三維基因組的穩(wěn)定性。在染色質環(huán)層面，EMF1維持CD內部染色質環(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)現擬南芥cohesin復合體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復合體結合在CD邊界并與EMF1在全基因組范圍內共定位。結合信號峰的富集情況和基序富集分析發(fā)現，EMF1和SCC3的結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，本研究發(fā)現當cohesin復合體無法正常發(fā)揮功能時，擬南芥CD邊界強度也出現明顯下降。這些結果均表明，EMF1與cohesin共同維持擬南芥染色質高級結構的穩(wěn)定性。

圖1 EMF1與cohesin共同調控擬南芥染色質三維結構的穩(wěn)定性

北京大學現代農學院周岳研究員和現代農業(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、北京大學現代農業(yè)研究院已出站博士后孫林華（現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、北京大學現代農學院已出站博士后尹曉暢（現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、蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室、北京大學現代農學院、北京大學-清華大學生命科學聯合中心的資助。

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