生命科學學院王應祥課題組揭示減數分裂細胞中組蛋白去甲基化酶...

染色體濃縮是細胞分裂的前提基礎，有絲分裂和減數分裂都需要將複製後的細長染色體濃縮成棒狀的染色體，進而保證後期的正確分離。相比之下，有絲分裂中染色體從前期到中期是快速的一步濃縮，而減數分裂包括減數分裂I和II，其中減數分裂I是該細胞分裂方式所特有，前期I又包括細線期、偶線期、粗線期、雙線期和終變期，過程主要涉及到父母同源染色體之間的配對、聯會和重組。為了保證這些核心事件的有序進行，染色體的濃縮是逐步進行的。研究表明，染色體濃縮主要由濃縮和粘黏蛋白複合體控制，但真核生物減數分裂進程中如何調控濃縮蛋白複合體，從而完成染色體的逐步濃縮機制尚不清楚。王應祥和馬紅團隊2016年揭示了植物減數分裂細胞特異編碼PHD結構域蛋白MMD1，其可能通過PHD識別組蛋白H3K4me3直接調控濃縮亞基CAP-D3的表達，從而控制了染色體的前期濃縮進程（Wang et al., Plant Cell）。然而，MMD1調控CAP-D3的具體分子機制仍不清楚。

6月22日，復旦大學生命科學學院研究員王應祥和麻錦彪課題組聯合美國賓州州立大學 (Pennsylvania State University) 教授馬紅在《自然-植物》（Nature Plants）發表了題為「Cell-type-dependent histone demethylase specificity promotes meiotic chromosome condensation in Arabidopsis」的研究論文，揭示了減數分裂細胞中組蛋白去甲基化酶底物特異性及調控染色質濃縮的分子機制。

 為了解析MMD1介導減數分裂特異染色體濃縮進程的調控機制，研究人員從2010年開始構建不同的MMD1截短蛋白並篩選文庫，於2011年鑑定到其中一個互作因子JMJ16，其編碼一個H3K4的組蛋白去甲基化酶（圖 1）。研究團隊與該領域專家、中科院遺傳與發育生物學研究所曹曉風院士合作，證明了JMJ16體內體外只能去除H3K4me2/3。已有研究表明，啟動子區域該組蛋白修飾主要促進基因的表達，去除則抑制基因的表達，這將無法解釋與MMD1互作而促進CAP-D3基因的表達。

圖1 MMD1和JMJ16蛋白的結構域及相互作用區域

研究人員推測，MMD1可能影響了JMJ16的酶活。體內體外實驗均證明MMD1確實調控了JMJ16的底物特異性， MMD1-JMJ16複合體可以去除肽段和核小體上的H3K9me3。那麼MMD1又是如何調控了JMJ16的底物特異性呢？構建兩個蛋白質的不同截短蛋白，鑑定出MMD1的MMD結構域（自定義，植物中保守）與JMJ16的C端FYR-C結構域互作（圖 1），暗示著JMJ16的C端可能影響了其酶活結構域。為了驗證這個假設，研究人員表達了只含有JMJ16-N端催化結構域的截短蛋白，發現JMJ16-N可以同時識別和去除H3K4me3和H3K9me3。進一步體外證明JMJ16-N和JMJ16 的C端FYR-C結構域相互作用，體內FRET實驗也支持JMJ16的兩端靠的很近或直接互作（圖2）。

圖2 JMJ16-N和-C端互作及MMD1對其互作的影響

那麼MMD1是如何影響JMJ16蛋白兩端的互作呢？通過體外競爭實驗表明MMD1可以和JMJ16-N競爭性的結合FYR-C結構域，從而解除FYR-C對於JMJ16-N的抑制效應，體內FRET-bleaching實驗揭示MMD1可以拉開JMJ16的N端和C端的距離，解除其抑制作用 （圖 2）。以上結果證明，JMJ16-C端結構域可能抑制了其N端催化結構域識別H3K9me3，而MMD1可以與JMJ16的C端競爭結合，可能通過鋅指結構域（C5HC2）解除自抑制效應 （圖 3），促進JMJ16識別和去除H3K9me3。

圖3 螢光偏振鑑定 JMJ16酶活結構域及含鋅指結構域對H3K4me3和H3K9me3的結合強度

jmj16的減數分裂細胞轉錄組測序發現，葉片中主要是抑制相關功能基因的表達，而減數分裂細胞中表現和MMD1共同促進一批基因的表達，包括染色體濃縮相關基因。分析目的基因如CAP-D3的啟動子區域組蛋白修飾，發現H3K4me1/2/3 變化不顯著，而H3K9me3顯著增加。由於動物中JMJ16的同源蛋白KDM5/JARID本身含有PHD結構域，研究人員推測JMJ16的定位可能依賴MMD1的PHD結構域識別H3K4me3，而MMD1的MMD結構域招募JMJ16，進而影響其底物特異性，最後調控了目的基因的表達。為了驗證這一假設，研究人員構建了JMJ16的酶活結構域融合MMD1的PHD結構域並轉化到mmd1的突變體，發現可以部分恢復mmd1染色體濃縮異常的表型。

 圖4 JMJ16和MMD1在不同細胞微環境中調控基因表達的模型

 基於上述結論，研究人員提出了JMJ16和MMD1在體細胞和減數分裂細胞中調控基因表達的模型。在體細胞中，JMJ16的N端和C端互作，抑制了其識別H3K9me3的能力，只具有H3K4me3去甲基化活性，從而抑制包括FLC在內的基因表達（圖4 a）。而在減數分裂細胞中，MMD1的PHD識別H3K4me3，而MMD結構域與JMJ16的FYR-C互作，解除了其自身C端和N端的互作，拓展了JMJ16的H3K9me3去甲基化活性，從而促進包括CAP-D3在內的基因表達，確保減數分裂染色體的正確濃縮（圖4 b）。該結果也是第一次證明了含有JmjC結構域的去甲基化酶酶活底物特異性的調控機制，揭示了去甲基化酶在不同的細胞微環境中可能與不同互作因子協同精確調控相關基因的表達，且這種調控機制可能具有普遍性。

王應祥、麻錦彪和馬紅是本研究的共同通訊作者。復旦大學已畢業博士生王君和餘超逸為本文的共同第一作者。中科院遺傳與發育研究所曹曉風院士和張率斌博士合作參與了工作。該項目得到國家自然科學傑出青年基金、國家重點基礎研究計劃項目和復旦大學遺傳工作國家重點實驗室的大力支持。

論文連結：https://doi.org/10.1038/s41477-020-0697-0