中大新聞網(wǎng)訊（通訊員李陳龍）高等植物的一生經(jīng)歷多個(gè)發(fā)育轉(zhuǎn)型過(guò)程，包括種子到幼苗的轉(zhuǎn)型，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)型等。其中種子到幼苗的轉(zhuǎn)型對(duì)植物的正常生長(zhǎng)具有極為重要的作用。在種子到幼苗轉(zhuǎn)型過(guò)程中，所有在種子成熟階段特異發(fā)生的生命活動(dòng)（稱為種子成熟程序）需要被嚴(yán)格關(guān)閉，否則幼苗將出現(xiàn)胚性特征，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)型失敗，不能完成整個(gè)生命周期，影響農(nóng)作物產(chǎn)量。因此，研究種子到幼苗轉(zhuǎn)型過(guò)程具有重要的科學(xué)意義。
CHD3家族染色質(zhì)重塑蛋白PICKLE(PKL)早在1997年就被報(bào)道，pkl突變體幼苗主根根尖出現(xiàn)胚性膨大結(jié)構(gòu)（pickle root）（Joe et al.,1997）,表明PKL參與了種子到幼苗轉(zhuǎn)型過(guò)程中種子成熟程序的關(guān)閉，然而，其關(guān)閉種子成熟程序分子機(jī)制至今仍然不是很清楚。同時(shí)，與它在動(dòng)物中的同源蛋白不同，PKL不形成類似動(dòng)物中的NuRD復(fù)合體，且其也不含識(shí)別特異DNA序列的蛋白結(jié)構(gòu)域，因此，PKL如何識(shí)別全基因組靶基因從而調(diào)控植物發(fā)育的分子機(jī)制也不清楚。
中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李陳龍課題組闡述了PKL如何參與關(guān)閉幼苗中種子成熟程序這一過(guò)程，并且揭示了PKL結(jié)合到基因組的分子機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)首先采用ChIP-seq實(shí)驗(yàn)在擬南芥體內(nèi)鑒定到了一萬(wàn)多個(gè)PKL直接靶基因，包括關(guān)鍵種子成熟基因AGL15,ABI3,FUS3,LEC1和LEC2，暗示PKL可能直接結(jié)合到這些種子成熟基因上發(fā)揮關(guān)閉種子成熟程序功能。為探究PKL蛋白是如何識(shí)別自身靶基因這一機(jī)制，團(tuán)隊(duì)成員對(duì)基因組上PKL結(jié)合位點(diǎn)的DNA序列元件進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)RY元件（CATGCA）顯著富集在PKL結(jié)合位點(diǎn)上，而RY元件可以被B3轉(zhuǎn)錄因子VAL1/2特異識(shí)別結(jié)合并結(jié)合，而后者在幼苗中種子成熟程序的關(guān)閉過(guò)程也發(fā)揮了關(guān)鍵作用，暗示PKL可能與VAL1/2存在功能聯(lián)系。蛋白互作實(shí)驗(yàn)表明PKL與VAL1/2在體內(nèi)和體外均可以相互作用，遺傳證據(jù)發(fā)現(xiàn)PKL參與了VAL1/2介導(dǎo)的幼苗中關(guān)閉種子成熟程序的信號(hào)途徑，同時(shí)轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)表明pkl與val1 val1突變體中基因表達(dá)變化情況具有非常高的相關(guān)性。作者進(jìn)一步對(duì)PKL與VAL1/2在基因組上的定位情況進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PKL與VAL1/2在基因組上廣泛共定位，并且在基因上的分布也十分相近，靶基因重疊的數(shù)目比例高達(dá)百分之七十以上（圖1）。
圖1. PKL與VAL1/2在擬南芥基因組中廣泛共定位
那么VAL1/2是否可以招募PKL到靶位點(diǎn)上呢？通過(guò)ChIP-seq和ChIP-qPCR實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在val1 val2突變體中PKL在PKL-VAL1/2共同靶基因（包括關(guān)鍵種子成熟基因AGL15,ABI3）上的結(jié)合顯著降低，而在PKL特有的靶位點(diǎn)上PKL的結(jié)合則沒(méi)有減少，表明VAL1/2確實(shí)可以招募PKL到它們的共同靶基因位點(diǎn)上。最后，通過(guò)堿基編輯技術(shù)對(duì)ABI3基因3’UTR區(qū)域的RY元件進(jìn)行突變，發(fā)現(xiàn)在RY突變之后ABI3基因表達(dá)水平提高，且VAL1和PKL在此位點(diǎn)上的結(jié)合水平出現(xiàn)了顯著下降，進(jìn)一步證明了VAL1/2通過(guò)識(shí)別RY元件并與PKL相互作用，招募PKL結(jié)合到靶基因上去，發(fā)揮轉(zhuǎn)錄抑制的功能。
圖2. VAL1/2直接招募PKL到它們的共同靶基因
綜上，研究團(tuán)隊(duì)不僅揭示了PKL如何參與到幼苗中種子成熟程序的關(guān)閉過(guò)程的分子機(jī)制，同時(shí)也豐富了以VAL1/2為核心的種子成熟程序關(guān)閉調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，最后也詳細(xì)論證了PKL如何識(shí)別并結(jié)合到靶基因這一重要機(jī)制，填補(bǔ)了植物中CHD3染色質(zhì)重塑蛋白識(shí)別結(jié)合靶基因機(jī)制的空白（圖3）。
圖3. VAL1/2與PKL互作抑制種子成熟程序工作模型
該研究論文“The transcriptional repressors VAL1 and VAL2 mediate genome-wide recruitment of the CHD3 chromatin remodeler PICKLE in Arabidopsis”于2022年7月22日發(fā)表在植物學(xué)著名期刊The Plant Cell上。
中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李陳龍教授為該論文的通訊作者，李陳龍課題組博士后梁振威為第一作者，中山大學(xué)李劍峰教授和廣東省農(nóng)科院劉軍研究員也參與了該研究。感謝中科院植物所林榮呈研究員為本課題提供的相關(guān)抗體支持。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的資助。
