博士生Ayasha Akter(神戶大學(xué)農(nóng)學(xué)研究生院)和技術(shù)人員Satoshi Takahashi(來自RIKEN可持續(xù)資源科學(xué)中心)揭示了組蛋白修飾H3K27me3在調(diào)節(jié)大白菜基因表達(dá)中的重要作用。此外，他們闡明了H3K27me3在春化中的作用，這是使蕓苔白菜(例如大白菜)開花的重要過程。

協(xié)作研究小組由神戶大學(xué)農(nóng)業(yè)研究生院，RIKEN可持續(xù)資源科學(xué)中心和CSIRO澳大利亞的成員組成。

這些結(jié)果最初于2019年10月17日在線發(fā)表在《DNA Research》雜志上。

組蛋白是在基因調(diào)控中起作用的蛋白質(zhì) -它們也將DNA包裝成稱為核小體的結(jié)構(gòu)。核小體是包裹在八個(gè)組蛋白的核心周圍的DNA片段-該核心稱為組蛋白八聚體(圖1)。組蛋白甲基化是通過添加一個(gè)，兩個(gè)或三個(gè)甲基來修飾組蛋白中某些氨基酸的過程。組蛋白的甲基化改變了DNA的包裝，并允許轉(zhuǎn)錄因子或其他蛋白質(zhì)訪問DNA并打開或關(guān)閉基因。這樣，組蛋白可以改變基因表達(dá)但不是DNA序列。這被稱為表觀遺傳變化。對(duì)于H3K27me3，H3家族組蛋白的甲基化靶向賴氨酸殘基(K27)。H3K27me3通常與基因沉默相關(guān)。

大白菜(Brassica rapa L.)的完整基因組序列自2011年以來可用。但是，人們對(duì)H3K27me3發(fā)揮的確切作用尚不清楚。這項(xiàng)研究揭示了H3K27me3在春化過程中的重要性。春化是大白菜在冷暴露后開花的過程。

在這項(xiàng)研究中，使用了兩個(gè)大白菜自交系(T23和T24)。選擇這些系來研究H3K27me3在組織特異性基因表達(dá)中的作用，因?yàn)樗鼈兣c2011年發(fā)現(xiàn)的參考全基因組序列在遺傳上相似。研究團(tuán)隊(duì)比較了兩個(gè)系之間以H3K27me3標(biāo)記的基因數(shù)量，在不同的組織之間。他們發(fā)現(xiàn)，H3K27me3在兩條線之間的分布相似。但是，H3K27me3在同一行中不同組織之間的分布存在較大差異。換句話說，發(fā)現(xiàn)具有H3K27me3標(biāo)記的基因顯示出組織特異性表達(dá)(圖2)。這表明該組蛋白修飾在植物組織發(fā)育期間在基因表達(dá)的調(diào)節(jié)中起作用。

接下來，他們研究了基因表達(dá)水平與H3K27me3的存在之間的關(guān)系。為此，他們測(cè)量了所有樣本(約8000個(gè)基因)中被H3K27me3修飾的基因的表達(dá)水平，并將其與所有基因(約40,000個(gè)基因)的表達(dá)水平進(jìn)行了比較。他們發(fā)現(xiàn)，H3K27me3修飾的基因中的表達(dá)水平較低(圖3)。這些結(jié)果表明，H3K27me3在抑制基因表達(dá)中起作用。此外，發(fā)現(xiàn)負(fù)責(zé)組織特異性表達(dá)的基因中H3K27me3的水平較高(圖4)。這表明H3K27me3在植物發(fā)育過程中調(diào)節(jié)基因表達(dá)。

圖3：H3K27me3基因的表達(dá)水平。“ K27 +”表示具有H3K27me3的基因，“總計(jì)”是指所有基因。信用：神戶大學(xué)

大白菜與擬南芥(Arabidopsis thaliana)來自相同的蕓苔屬。因此，研究人員決定比較這些緊密相關(guān)植物中H3K27me3的存在。發(fā)現(xiàn)H3K27me3以相似的方式改變了兩個(gè)物種中40%的修飾基因，表明這些修飾在物種形成后仍然存在。這表明H3K27me3修飾在兩個(gè)物種中都起著至關(guān)重要的作用。

最后，進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，以了解春化前后H3K27me3水平如何變化。春化是指一些植物品種在經(jīng)歷一段寒冷天氣后開花的過程。在先前的研究中，揭示了基因落花基因C(FLC)在防止春菜前B. rapa家族的蔬菜開花中起關(guān)鍵作用。FLC基因的表達(dá)可確保植物在暴露于寒冷天氣之前無法開花-這有助于防止植物在冬季開花。當(dāng)植物經(jīng)歷寒冷時(shí)期時(shí)，F(xiàn)LC基因受到抑制，一旦溫度變高，它就可以開花。

為了模擬春化條件，將大白菜和擬南芥植物在4°C的低溫下保持4周。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在基因組水平上，H3K27me3水平?jīng)]有較大變化。然而，H3K27me3在冷暴露后在兩個(gè)物種的FLC基因中積累。在大白菜中，觀察到H3K27me3在FLC轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近積累。換句話說，在FLC基因被關(guān)閉的情況下，H3K27me3的水平很高。”當(dāng)恢復(fù)正常的生長(zhǎng)溫度(22°C)時(shí)，H3K27me3遍及整個(gè)FLC旁系同源物。這表明H3K27me3在確保春化后，F(xiàn)LC基因仍然受阻。

總的來說，這項(xiàng)研究表明，組蛋白修飾的H3賴氨酸27三甲基化在調(diào)節(jié)負(fù)責(zé)組織分化的基因的表達(dá)中起著重要作用。他們還揭示了H3K27me3在春化過程中控制FLC表達(dá)的不可或缺的作用。

進(jìn)一步研究H3K27me3在單個(gè)基因中的作用以及不同品種中H3K27me3水平之間的任何差異，將加深對(duì)該組蛋白修飾作用的了解。

如果成功，使用H3K27me3抑制FLC的實(shí)驗(yàn)可以使人為控制開花時(shí)間。該知識(shí)可用于農(nóng)業(yè)，以提高B. rapa家庭的蔬菜種植率。