BMI1s 与凝聚素复合物协同调控拟南芥染色质 3D 结构和基因表达，揭示重要表观遗传机制

为探究 BMI1s 调控染色质 3D 结构机制，研究人员发现其与凝聚素复合物协同维持 CDs，影响基因表达，补充了 PRC1 调控机制。

　　# 探秘拟南芥染色质调控：BMI1s 与凝聚素复合物的奇妙协作
在微观的生命世界里，细胞中的基因组就像一本巨大而复杂的 “生命之书”，而染色质则是这本书的 “装订方式”。准确的染色质状态对于维持基因组的完整性，确保基因能够正常 “读取” 和 “执行” 十分关键。在细胞的 “书房”—— 细胞核中，染色质需要有序折叠，形成特定的三维（3D）结构，这其中就包括了不同尺度的结构，如区域（territories）、隔室（compartments）、拓扑相关结构域（topologically associated domains，TADs）和染色质环（chromatin loops） 。在植物中，TADs 也被称为隔室结构域（compartment domains，CDs），然而，CDs 的形成和调控机制一直是植物表观遗传学领域的未解之谜。

组蛋白修饰与染色质 3D 结构之间的紧密关系已被广泛研究，比如 H₃K²⁷me₃和 H₂AK¹²¹ub 对于维持 CDs 内的相互作用至关重要。除了组蛋白修饰，其他调控染色质 3D 结构的蛋白质也逐渐被发现，但仍有许多未知等待探索。多梳蛋白组（Polycomb group，PcG） 蛋白在基因表达调控中发挥着重要作用，其核心成分 BMI1s（B LYMPHOMA MOLONEY MURINE LEUKEMIA VIRUS INSERTION REGION 1 HOMOLOG 1A/B/C）参与维持 CDs，但具体机制尚不明确。凝聚素复合物（condensin complexes）属于染色体结构维持（structural maintenance of chromosome，SMC）复合物，在细胞分裂中负责将松散的染色质浓缩成短而粗的染色体，同时也参与染色质 3D 调控，不过其在植物间期的作用研究较少。

为了深入了解这些谜团，北京大学的研究人员开展了一系列研究，相关成果发表在《aBIOTECH》杂志上。

研究人员采用了多种关键技术方法。通过酵母双杂交筛选（yeast two - hybrid screening）寻找 BMI1s 的相互作用蛋白；利用双分子荧光互补实验（bimolecular fluorescence complementation，BiFC）、免疫共沉淀实验（co - immunoprecipitation，CoIP）在体外和体内验证蛋白间的相互作用；运用染色质免疫沉淀测序（Chromatin immunoprecipitation and sequencing，ChIP - seq）检测组蛋白修饰水平；借助原位 Hi - C（in situ Hi - C）技术研究染色质 3D 结构；通过 RNA 测序（RNA - seq）分析基因表达情况。

BMI1s 与凝聚素亚基 CAP - H 和 H2 相互作用

研究人员以 BMI1A 为诱饵进行酵母双杂交筛选，发现凝聚素成分 CAP - H 与 BMI1A 相互作用。随后通过酵母双杂交、BiFC 和 CoIP 实验进一步证实，BMI1A 与凝聚素 I 的 CAP - H 和凝聚素 II 的 CAP - H2 均能相互作用，且 BMI1B/C 与 CAP - H/H2 也存在相互作用，这表明 BMI1s 和凝聚素复合物可能在拟南芥中共同发挥作用。

BMI1s 和凝聚素复合物不共同调节 H₂AK¹²¹ub 和 H₃K²⁷me₃水平

在确认体外相互作用后，研究人员探究它们在体内是否共同发挥作用。由于干扰凝聚素 I 的 cap - h 纯合突变体胚胎致死，研究人员选用 cap - d2 和 cap - d3 突变体分别代表凝聚素 I 和 II 功能缺陷突变体。通过 ChIP - seq 实验发现，cap - d2 和 cap - d3 突变体中 H₂AK¹²¹ub 和 H₃K²⁷me₃水平与野生型相比无明显变化，而 bmi1a/b/c 突变体中这两种修饰水平显著下降。这说明凝聚素复合物与 BMI1s 的相互作用并非为了共同调节 H₂AK¹²¹ub 和 H₃K²⁷me₃水平，它们可能通过相互作用直接共同调节其他方面。

凝聚素复合物参与染色质 3D 调控

研究人员对 cap - d2 和 cap - d3 突变体进行 Hi - C 实验，结果显示凝聚素 I 和 II 均影响染色质 3D 结构。cap - d3 和之前报道的 cap - h2 突变体中，着丝粒区域之间的相互作用强度显著增加，而 bmi1a/b/c 突变体中未出现这种变化，表明防止着丝粒异常关联是凝聚素 II 的独特功能，BMI1s 不与凝聚素 II 共同调节着丝粒关联，但二者都参与染色质 3D 调控，可能相互作用共同调节染色质 3D 结构。

BMI1s 和凝聚素复合物协同维持 CD 结构

研究人员通过分析交互衰减指数（interaction decay exponents，IDEs）发现，bmi1a/b/c、cap - d2 和 cap - d3 突变体的短程相互作用均减少，且这三种突变体中 CDs 内的相互作用强度显著降低，说明凝聚素复合物和 BMI1s 都是维持 CDs 的重要因素。进一步分析发现，三种复合物共同调节的 CDs 占其各自调节 CDs 的绝大多数，且在野生型植物中，由三种复合物共同调节的 CDs 相互作用强度更高，表明它们在维持 CD 结构上具有协同作用，且这种作用与 H₂AK¹²¹ub 平行。

BMI1s 和凝聚素复合物共同调节一组基因

研究人员通过 RNA - seq 实验分析了 bmi1a/b/c、cap - d2、cap - d3 等突变体和野生型植物的基因表达情况。Venn 图分析显示，BMI1s 和凝聚素 I 共同调节一组基因，这些基因富集在光合作用、呼吸作用、代谢过程以及对寒冷或光照的环境响应等生物学过程中。BMI1s 和凝聚素 II 也共同调节部分基因，这些基因与多种环境响应相关。这表明 BMI1s 与凝聚素复合物共同调节一组基因，且在应对环境刺激时，它们可能协同稳定 CD 结构，维持基因组完整性。

在本次研究中，研究人员发现了凝聚素复合物与 BMI1s 相互作用，协同维持 CDs 内的相互作用强度，为部分基因的正常表达提供了合适的染色质 3D 条件，可能有助于在压力条件下维持基因组的稳定性。凝聚素复合物和 BMI1s 的协同作用不依赖于影响组蛋白修饰水平，而是与 PcG 沉积的组蛋白修饰功能平行，这从非修饰角度补充了 PRC1 调节 CDs 的机制。

此外，研究还揭示了染色质 3D 调控网络的复杂性。凝聚素复合物在维持 CD 结构中的作用，为解释凝聚素 I 和 II 突变体中间期核内常染色质密度降低提供了依据。研究结果还暗示，拟南芥中可能存在多种边界结合蛋白，凝聚素复合物可能是其中之一，其与其他蛋白共同调节边界强度，稳定 CDs 内的相互作用。

不过，仍有一些问题有待进一步研究。比如，凝聚素 I 在间期的作用机制尚不清楚，虽然它在间期细胞核中含量很少，但却对 CDs 有显著影响，其具体作用方式以及与凝聚素 II 的关系还需深入探究。BMI1s 和凝聚素复合物在应对不同环境压力时，如何精确调节基因表达和染色质 3D 结构，也是未来研究的重要方向。这些研究将有助于我们更深入地理解植物表观遗传调控机制，为植物生长发育和应对环境变化的研究提供新的思路。