日本科学家破解了拟南芥表观遗传调控的一个难点

　　

生物学中最令人着迷的发现之一是细胞具有动态调节基因表达的机制。这种在不改变DNA序列的情况下促进或限制特定基因转录的能力对所有形式的生命都是必不可少的，从单细胞生物到最复杂的植物和动物物种。

虽然我们对这些所谓的表观遗传机制的理解还远未完成，但随着对Polycomb suppression Complex 2 (PRC2)作用的理解，这一领域取得了显著进展。在许多植物中，PRC2是一种蛋白质，它与称为多梳反应元件(PREs)的特定DNA序列结合，并对附近的组蛋白(细胞核中DNA的结构支持)施加化学标记。这种化学修饰被称为“H3K27 (H3K27me3)的三甲基化”，它可以阻止附近的基因转化为RNA，进而转化为蛋白质，从而有效地使它们沉默。然而，尽管有了这些知识，科学家们还不明白被PRC2沉默的基因是如何重新激活的。

在最近发表在《eLife》上的一项研究中，日本奈良科学技术研究所(NAIST)的一个研究小组试图找到这个难题的答案。在Nobutoshi Yamaguchi的带领下，研究小组对转基因拟南芥进行了广泛的实验，揭示了这些植物和许多其他生物体内复杂的表观遗传管弦乐队的关键部分。

研究人员主要关注Set domain containing Protein 7 (SDG7)，已知它调节细胞质(胞内液)中蛋白质的甲基化。初步实验显示，SDG7也存在于细胞核中，这促使研究小组进一步研究。

在对突变的拟南芥培养物进行了一系列广泛的分析和测量后，研究人员发现了SDG7的新作用。事实证明，这种蛋白质也与PREs结合，与PRC2竞争。此外，SDG7实际上可以取代PRC2，阻止其留下H3K27me3标记。在此基础上，SDG7通过H3K36的甲基化添加了一个活性组蛋白标记。H3K36甲基化后，蛋白质对SDG8和聚合酶相关因子1 (PAF1)将这一活性标记扩散到基因的整个体内，从而导致有效的基因激活。

在某种程度上，组蛋白位点H3K27和H3K36可以被解释为一个“开关”，可以动态地打开和关闭特定基因的表达。奈良科学技术研究所Nobutoshi Yamaguchi说：“这种简单而优雅的H3K27和H3K36甲基化之间的拮抗分子开关非常适合植物发育过程中的表观遗传重编程。由于H3K27和H3K36甲基化之间的切换已经在许多开花植物中发现，因此在控制发育过程中，SDGs和PRC2之间的竞争机制可能在许多植物物种中都是保守的。”

这项研究揭示了无数动植物物种可能依赖的复杂表观遗传机制，可能为未来在农业、园艺和农业领域的突破铺平道路。“我们相信我们的发现将引起植物生物学家和表观遗传学家的广泛兴趣，考虑到表观遗传学调控在发育和环境反应过程中的基因表达中的广泛作用，”Yamaguchi总结道。