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组蛋白的甲基化状态影响染色质结构和基因表达。组蛋白去甲基化酶活性影响这些调节甲基化标记的分布。研究人员发现一种称为α-酮戊二酸脱氢酶（KGDH）的酶结合并抑制组蛋白去甲基化酶的活性。KGDH通常与线粒体中的呼吸三羧酸循环有关，但其底物α-酮戊二酸也是组蛋白去甲基化酶活性所必需的。KGDH酶进入拟南芥细胞的细胞核，可以直接与组蛋白去甲基化酶和染色质相互作用。结果，组蛋白去甲基化和基因表达都被KGDH改变，为KGDH提供了呼吸代谢以外的替代作用。 研究背景 核小体组蛋白的甲基化在调节真核转录和其他基于染色质的过程中发挥基本作用。包含Jumonji C结构域的组蛋白去甲基化酶(JMJs)存在于包括动物、植物和真菌在内的大多数真核生物中，可动态控制组蛋白甲基化。因此，JMJs在调节基因表达方面起着普遍的作用。JMJs是α-酮戊二酸(α-KG)/铁(II)依赖的双加氧酶，利用共底物α-KG和氧通过氧化从赖氨酸残基中去除甲基。 在植物和/或动物中，某些JMJs的组蛋白去甲基化活性受到多种机制的调节，包括一些JMJs的翻译后修饰，以及一些JMJs相关蛋白、代谢物和共底物氧的调节。目前尚不清楚其他代谢α-KG的酶如何调节核JMJ活性。 实验过程 研究人员构建了几个α-酮戊二酸脱氢酶(KGDH)功能缺失的拟南芥突变体，发现KGDH不仅在控制细胞内的α-KG总量、TCA循环通量和细胞呼吸中起主要作用，而且还调节生长发育的各个方面。KGDH缺陷的突变体表现出强效抗氧化剂花青素的积累，向开花的发育过渡的显著延迟，以及梢发育的减缓。接下来，通过共聚焦荧光成像，发现一小部分KGDH进入细胞核。这一过程受光照调节。随后诱变了KGDH亚基E2的核定位信号，发现线粒体定位的KGDH不能挽救E2突变体中的生长和发育异常。 对各种组蛋白甲基化标记的生化测定表明，细胞核KGDH似乎抑制了整体组蛋白去甲基化。研究团队假设KGDH可能与JMJs偶联来调节组蛋白甲基化。事实上，进一步的蛋白-蛋白相互作用实验表明，核内KGDH直接与多种jmj相互作用，包括组蛋白3赖氨酸4、组蛋白3赖氨酸9和组蛋白3赖氨酸27的去甲基化酶。 研究人员利用RNA测序和染色质免疫共沉淀结合DNA测序，探索了核KGDH在控制拟南芥全基因组组蛋白甲基化和基因表达中的功能。KGDH在基因组中占据数千个位点，与组蛋白甲基化区域相关。转录组学分析显示，在KGDHs缺陷的突变体中，数千个基因发生了错误调节，尤其是环境应答基因。生化分析发现核KGDH催化α-KG的氧化脱羧，从而降低与KGDH偶联的JMJs对α-KG的局部利用率。减少α-KG导致JMJs抑制组蛋白去甲基化。 进一步设计一个KGDH亚基以增强其核靶向性，这导致JMJs进一步抑制组蛋白去甲基化。此外，还发现核内KGDH-JMJ组合可以激活或抑制靶基因的表达，这依赖于局部组蛋白甲基化标记的读出。 通过蛋白质相互作用实验，发现了来自人类和小鼠的一个KGDH亚基的羧基末端区域与哺乳动物JMJs发生了相互作用。因此，在哺乳动物细胞和其他真核生物中，与JMJs的KGDH关联是保守的。 这项研究表明除了在植物中，KGDH可能与JMJs一起在哺乳动物中发挥作用，控制组蛋白去甲基化和基因表达。
在植物中，光通过JMJs促进TCA循环相关酶KGDH的核靶向来调节组蛋白去甲基化 原文： Methylations on nucleosomal histones play fundamental roles in regulating eukaryotic transcription. Jumonji C domain–containing histone demethylases (JMJs) dynamically control the level of histone methylations. However, how JMJ activity is generally regulated is unknown. We found that the tricarboxylic acid cycle–associated enzyme α-ketoglutarate (α-KG) dehydrogenase (KGDH) entered the nucleus, where it interacted with various JMJs to regulate α-KG–dependent histone demethylations by JMJs, and thus controlled genome-wide gene expression in plants. We show that nuclear targeting is regulated by environmental signals and that KGDH is enriched at thousands of loci in Arabidopsis thaliana. Chromatin-bound KGDH catalyzes α-KG decarboxylation and thus may limit its local availability to KGDH-coupled JMJs, inhibiting histone demethylation. Thus, our results uncover a regulatory mechanism for histone demethylations by JMJs. |
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