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曹曉風研究組在植物組蛋白去甲基化酶的招募機制研究中取得新進展

  核小體是真核生物染色質的基本單位,由DNA纏繞組蛋白八聚體構成。組蛋白翻譯後共價修飾是表觀遺傳調控的重要方式之一,通過影響染色質的狀態而調控基因表達等過程。組蛋白H327位賴氨酸的三甲基化修飾(H3K27me3)通過維持基因的沈默狀態,在動植物細胞命運決定以及生長發育中發揮重要的調控作用。基因組中特定位點的H3K27me3修饰水平由組蛋白甲基转移酶和去甲基化酶进行动态调控。中國科學院遗传与发育生物学研究所曹晓风研究组前期研究发现,拟南芥組蛋白H3K27me3去甲基化酶REF6/JMJ12能夠通過其自身的鋅指結構域特異性的識別擬南芥基因組中CTCTGYTY基序從而去除H3K27me3/me2甲基化修飾,調控基因的時空表達水平(Lu, et al. Nature Genetics, 2011; Cui, et al. Nature Genetics, 2016)。進一步研究發現,並非所有的CTCTGYTY基序都能夠被REF6識別,REF6更傾向于結合在開放的染色質區域,而不結合異染色質區域,然而這其中的分子機制尚不清楚。DNA甲基化作爲一種重要的染色質修飾,廣泛分布于異染色質區、常染色質區的轉座子區和轉錄不活躍基因的啓動子區,參與異染色質結構維持、轉座子沈默和基因轉錄調控等生物學過程。然而,人們對于植物體內DNA甲基化如何影响組蛋白修饰酶的基因组靶向仍知之甚少。 

 

  曹曉風研究組與複旦大學麻錦彪研究組合作,結合染色質組學、結構生物學、生物化學等研究手段,揭示了DNA甲基化抑制REF6對靶位點識別的分子機制。通過生物信息分析REF6的基因組結合位點以及染色質免疫沈澱結合DNA甲基化檢測的手段,研究者發現REF6傾向于結合低甲基化水平的CTCTGYTY基序。進一步通過凝膠遷移實驗(EMSA)、等溫滴定量熱法(ITC)以及鋅指結構域晶體結構的解析,發現甲基化的DNA基序在體外系統中降低了REF6鋅指結構域與DNA結合的親和力。爲了進一步研究植物體內DNA甲基化是否影響REF6与靶基因位点結合,研究者通过染色質免疫沈澱結合高通量测序技术发现,non-CG甲基化缺失的drm1 drm2 cmt2 cmt3 四突變體中REF6non-CG甲基化下降的染色質區域會發生異位結合,其大多數位點位于常染色質區中的短TE中間或與之相鄰。該研究揭示了DNA甲基化是调控組蛋白去甲基化酶REF6在基因组中靶向的重要因素,为深入开展組蛋白修饰酶类在染色质上的定位和作用机制开拓了思路。 

 

  該項研究成果于201952日在Nature Communications在線發表(DOI:10.1038/s41467-019-10026-1)。曹曉風研究組已畢業博士生邱琦、博士後梅海亮、副研究員鄧娴、博士研究生何凱璇和複旦大學麻錦彪組已畢業博士生吳柏星爲本文的共同第一作者。中科院遺傳發育所曹曉風研究員與複旦大學生命科學學院麻錦彪教授爲共同通訊作者。該研究工作由國家自然科學基金委、中國科學院、科技部、中科院青創新促進會、植物基因組學國家重點實驗室等提供經費支持。 

    

DNA甲基化抑制REF6結合CTCTGYTY基序模式圖