近期，中國科學院分子植物科學卓越創新中心、上海植物逆境生物學研究中心研究員段成國課題組和研究員朱健康課題組合作，在Nature Communications上，發表了題為Coupling of H3K27me3 recognition with transcriptional repression through the BAH-PHD-CPL2 complex in Arabidopsis的研究論文。研究發現了一個新的組蛋白H3K27me3閱讀器，並揭示了該閱讀器抑制轉錄的一種新的分子機制：通過抑制Pol II末端磷酸化抑制轉錄的起始。
組蛋白H3第27位賴氨酸的三甲基化修飾（H3K27me3）是一類重要的轉錄抑制性翻譯後修飾（Post-translational modification，PTM），在生物進程的各個方面發揮作用。傳統觀點認為，多梳抑制複合體2（Polycomb Repressive Complex 2，PRC2）負責催化並維持H3K27me3；PRC1複合體負責識別H3K27me3並催化組蛋白H2Aub修飾，促進染色質凝集，抑制轉錄起始複合物的招募，從而抑制轉錄。然而，近年來的研究挑戰了該傳統觀點，認為除PRC1複合物之外，生物體還有多種識別H3K27me3並調控靶位點沉默的機制。
研究人員通過質譜篩選，在擬南芥中鑑定到一個由含有BAH結構域蛋白AIPP3、含有PHD結構域的同源蛋白AIPP2和PAIPP2，以及植物特異的RNA Pol II磷酸酶CPL2組成的蛋白複合體（BAH-PHD-CPL2複合體，BPC複合體）。表型分析表明，BPC複合體的突變體呈現不依賴於光周期的早花表型和嚴重的發育缺陷，表明該複合體對於植物的正常發育和開花是必須的。遺傳學證據表明，BPC複合體主要通過抑制開花節點基因FT的表達調控開花，在BPC突變體中，FT的表達呈現組成型上調。
BAH和PHD結構域主要與組蛋白識別有關。研究發現，AIPP3能夠特異地識別結合H3K27me3修飾，並通過結構生物學手段，進一步解析了AIPP3-BAH結合H3K27me3的複合體結構。研究人員通過ITC和結構模擬發現，AIPP2和PAIPP2的PHD結構域特異性識別結合未修飾的H3K4。因此，AIPP3與AIPP2/PAIPP2互作形成一個識別H3K27me3/H3K4me0雙修飾的組蛋白閱讀器模塊BAH-PHD。通過mRNA-seq分析，發現BPC複合體突變後主要造成大量基因表達的上調，顯示該複合體是一個轉錄抑制複合體。與結構生物學的結論一致，從mRNA-seq中上調的差異基因及ChIP實驗中，發現BAH-PHD分子模塊可以靶向基因組上富含有H3K27me3-H3K4me0修飾的基因，並抑制mRNA的產生。當BPC複合體被破壞時，部分靶點在不丟失H3K27me3的情況下，呈現出表達激活的狀態，暗示了BPC複合體作為H3K27me3維持途徑的下遊，抑制基因轉錄。通過ChIP-seq和ChIP-qPCR分析，發現BPC複合物特異結合在一類H3K27me3/H3K4me0標記的基因上。
在BPC複合體中，含有一個已知的植物特異的Pol II磷酸酶CPL2，被報導可去除Pol II最大亞基C末端結構域（CTD）五號位絲氨酸磷酸化（ser5P）。通過Pol II ChIP-qPCR已發表的Pol II NET-seq數據，研究人員發現，BPC複合體的靶基因轉錄起始位點富含末端未磷酸化的Pol II，但Ser5P-Pol II和Ser2P-Pol II的水平幾乎檢測不到，說明BPC複合體不影響Pol II的招募，可能影響了Pol II轉錄的起始。在BPC複合體的突變體中，靶位點Ser5P-Pol II水平顯著上調。研究表明，BAH-PHD組蛋白閱讀器模塊可招募CPL2到被H3K27me3/H3K4me0標記的靶基因，通過去磷酸化Ser5P-Pol II抑制轉錄。一旦BAH-PHD模塊被破壞，CPL2無法在靶點富集。
該研究首次將H3K27me3的識別直接與Pol II CTD的磷酸化調控相偶聯，表明植物體內存在獨立於經典PRC2/PRC1-H2AKub1的非典型H3K27me3表觀沉默機制。雖然CPL2是一類植物特有的磷酸酶，但這種組蛋白修飾與Pol II PTM的協同機制，可能廣泛存在真核生物中。近年來，已有多個課題組報導了BAH-H3K27me3調控模式存在於植物、動物和真菌系統中。植物中，EBS和SHL通過其BAH結構域識別H3K27me3，並和植物特異的PRC1組分EMF1物理互作，同另一種H3K27me3閱讀器蛋白LHP1一起，參與經典的PRC2-PRC1途徑中。動物中，最近的一項研究顯示，BAHD1及BAHCC1（BAHD2）蛋白同樣含有識別H3K27me3的BAH結構域，但功能存在差別。BAHD1可與PRC2物理互作，BAHCC1與組蛋白去乙醯化組分形成複合體，同PRC1共同抑制H3K27me3位點的基因表達。上述研究表明，生物體通過H3K27me3調控轉錄沉默的機制比之前設想的要複雜。
段成國、朱健康和南方科技大學教授杜嘉木為論文的共同通訊作者，博士研究生張以哲和袁建龍以及博士後張玲瑞為論文的共同第一作者。研究工作得到中科院戰略性先導科技專項（B類）和國家自然科學基金項目等的支持。
論文連結
BAH-PHD-CPL2複合體偶聯H3K27me3識別與Pol II磷酸化的轉錄抑制工作模型
【來源：分子植物科學卓越創新中心】
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