Genome Biology | 组蛋白修饰节律性变化的分子机制被揭示

生物体的生长发育过程受到生物钟的调控，拟南芥生物钟核心组分涉及到CCA1（CIRCADIAN CLOCK ASSOCIATED 1）和LHY（LATE ELONGATED HYPOCOTYL）两个转录因子，及其靶基因TOC1 （timing of CAB expression 1 ）【1】。CCA1和LHY直接结合到TOC1启动子上抑制TOC1的表达【2】，TOC1通过抑制PRR（PSEUDO-RESPONSE REGULATOR）从而间接的促进CCA1和LHY的表达，TOC1也可以直接结合到CCA1和LHY的启动子上抑制它们的表达【3】。生物钟途径还包括了GI以及ELF4–ELF3–LUX等组分【4】，它们共同组成了一个紧密连锁的转录翻译负反馈调控循环。

前期研究已表明了组蛋白修饰和生物钟基因表达间的相关性，尤其是转录起始位点的组蛋白H3K4me3 和 H3K9/14ac修饰与CCA1，LHY，TOC1表达的节律性变化密切相关【5】。但生物钟基因上组蛋白修饰变化的分子基础以及生物钟调控因子功能和组蛋白修饰之间的联系一直以来都不清楚。

近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Z. Jeffrey Chen教授团队发现拟南芥生物钟基因通过调控SDG2和JMJ14的表达来调控组蛋白修饰的节律性变化，从而调控生物钟基因和相关输出基因的表达。相关结果以Diurnal regulation of SDG2 and JMJ14 by circadian clock oscillators orchestrates histone modification rhythms in Arabidopsis为题发表在Genome Biology.上。

拟南芥组蛋白H3K4me3修饰受到组蛋白甲基转移酶（ATX1, SDG2, SDG4, SDG25, SDG26）和组蛋白去甲基酶（JMJ14, JMJ15, JMJ18）的调控，其中SDG2和JMJ14的突变对全基因组水平的H3K4me3的影响最大【6】。研究者发现，SDG2和JMJ14的表达呈现昼夜节律变化，并且生物钟因子CCA1和LHY间接地促进甲基转移酶SDG2表达，直接抑制去甲基酶JMJ14的表达，所以突变体cca1 lhy中总体H3K4me3水平显著降低。而在sdg2突变体中CCA1和LHY基因5’区域H3K4me3水平降低，并伴随着CCA1和LHY表达的降低，jmj14突变体中则有相反的变化趋势。

图1：生物钟调控SDG2和JMJ14基因的表达

研究者进一步研究了全基因组水平H3K4me3水平的昼夜节律变化。作为对照，研究者也研究了另一个转录激活标记H3K9ac的变化。

Chip-seq结果表明，H3K4me3富集的位点中29%位点的H3K4me3呈现昼夜节律性变化，H3K9ac富集的位点中21%表现H3K9ac的昼夜节律性变化。进一步结合GO分析和基因表达分析发现，48% H3K4me3修饰呈节律性变化的基因位点其表达也呈节律性变化，而47% H3K9ac 修饰呈节律变化的基因其表达呈节律性变化，强烈暗示了H3K4me3和H3K9ac两种修饰的变化与基因表达变化间的相关性。进一步研究者探索了H3K4me3和H3K9ac修饰在生物钟途径中的作用，在作者所检测的所有生物钟基因中这两种修饰均呈节律性变化，其中CCA1和LHY的H3K4me3和H3K9ac修饰峰值出现在黎明，而生物钟傍晚因子TOC1的H3K4me3和H3K9ac修饰的峰值出现在正午。

关于基因表达和染色质修饰的节律性变化的一个可能解释是，生物钟蛋白与染色质修饰因子互作从而调控靶基因的染色质修饰并影响靶基因的表达。研究者发现，33% CCA1所抑制的基因的H3K4me3的峰值出现在傍晚，20% CCA1所抑制的基因的H3K9ac修饰的峰值出现在傍晚；23% TOC1 靶基因的 H3K4me3的峰值出现在早晨，13%TOC1靶基因的H3K9ac修饰峰值出现在早晨，这与CCA1和TOC1分别抑制傍晚和早晨的生物钟因子的结论相一致。研究者进一步探索了CCA1三个靶基因的H3K4me3修饰的变化，在sdg2和jmj14突变体背景下，H3K4me3的富集程度分别显著的下调和上调。这进一步说明，SDG2和JMJ14介导了CCA1靶位点H3K4me3的沉积。

图2：组蛋白修饰调控关键生物钟调控因子的表达

基于以上数据研究者提出一个整合生物钟节律和染色质修饰动态变化的模型：CCA1和LHY通过上调组蛋白甲基转移酶SDG2和下调组蛋白去甲基酶JMJ14来调控靶基因上的H3K4me3修饰，并调控下游基因的表达，从而影响植物的生长发育。综上，该研究阐明了拟南芥H3K4me3修饰节律变化的分子基础，明确了生物钟核心因子对于靶基因表达调控的具体机制。

参考文献：

[1] Mizoguchi T, Wheatley K, Hanzawa Y, Wright L, Mizoguchi M, Song HR, Carre IA, Coupland G. LHY and CCA1 are partially redundant genes required to maintain circadian rhythms in Arabidopsis. Dev Cell. 2002;2(5):629–41.

[2] Alabadi D, Oyama T, Yanovsky MJ, Harmon FG, Mas P, Kay SA. Reciprocal regulation between TOC1 and LHY/CCA1 within the Arabidopsis circadian clock. Science. 2001;293(5531):880–3.

[3] Huang W, Perez-Garcia P, Pokhilko A, Millar AJ, Antoshechkin I, Riechmann JL, Mas P. Mapping the core of the Arabidopsis circadian clock defines the network structure of the oscillator. Science. 2012;336(6077):75–9.

[4] Dalchau N, Hubbard KE, Robertson FC, Hotta CT, Briggs HM, Stan GB, Goncalves JM, Webb AA. Correct biological timing in Arabidopsis requires multiple light-signaling pathways. Proc Natl Acad Sci USA. 2010;107(29):13171–6.

[5] Hemmes H, Henriques R, Jang IC, Kim S, Chua NH. Circadian clock regulates dynamic chromatin modifications associated with Arabidopsis CCA1/LHY and TOC1 transcriptional rhythms. Plant Cell Physiol. 2012;53(12):2016–29.

[6] Berr A, Shafiq S, Pinon V, Dong A, Shen WH. The trxG family histone methyltransferase SET DOMAIN GROUP 26 promotes flowering via a distinctive genetic pathway. Plant J. 2015;81(2):316–28.

论文链接：

https:///10.1186/s13059-019-1777-1