近日，我校海峡联合研究院基因组与生物技术研究中心秦源教授团队和植物保护学院王宗华研究员团队在国际知名学术期刊Molecular Plant上发表题目为“H2A.Z represses gene expression by modulating promoter nucleosome structure and enhancer histone modifications in Arabidopsis”的研究论文。
该研究在全基因组水平上通过对拟南芥H2A.Z、H3K4me3、H3K27me3分布以及核小体占位分析，发现拟南芥H2A.Z在转录起始位点区域的富集程度与基因表达量成负相关，并进一步揭示H2A.Z主要通过调节转录起始位点区域的核小体构象和增强子区域的组蛋白修饰来抑制基因表达。本研究为H2A.Z功能及调控机理的揭示提供了一个基本框架，并且对解读核小体变体和组蛋白修饰之间的相互作用提供一个新思路。
论文解读
真核生物的DNA与蛋白质结合被打包成一个紧密的结构，被称为染色体。核小体是组成染色体的基本结构，由两份H2A、H2B、H3和H4组成的组蛋白八聚体，外面缠绕147bp左右的DNA组成。真核生物基因组包含很多组蛋白的变体，每种变体使核小体具有不同的特性，从而影响众多的生物学过程，最普遍的就是影响基因的转录。组蛋白也可以进行转录后修饰进而影响转录。这些多样化的调节方式使得染色体成为一个动态的结构。染色体是压缩遗传信息的一种有效途径，但也成为多个生物学过程的一种障碍，比如DNA复制，基因转录和DNA的可接近性。组蛋白变体可以调控染色体的结构以及序列特异结合蛋白和酶在DNA上的招募。组蛋白和组蛋白变体之间的相互替换是调节调节核小体的结构、稳定性、动态性和DNA的可接近性的一种有效方式，在促进基因转录、发育精确调控以及对外界环境的应答中发挥重要作用。
图1.拟南芥H2A.Z在启动子和增强子区域富集并抑制基因表达
秦源教授课题组（Qin et al., 2014 Plant Cell; Cai et al., 2017 New Phytologist）及国际上多个课题组的研究显示组蛋白变体H2A.Z在植物生殖发育，包括开花时间、花序形态建成、花器官发育、减数分裂以及雌配子体发育中发挥了重要调控作用，但其作用机理还有待深入研究。为了揭示H2A.Z与其它表观遗传因子协同调控基因表达的机理，本研究通过ChIP-seq, MNase-seq和RNA-seq技术，从全基因组水平系统分析了拟南芥野生型和H2A.Z堆积缺陷突变体arp6（染色体重塑复合物SWR1的重要成员）花序中，H2A.Z富集与基因表达及H3K4me3和H3K27me3组蛋白修饰间的调控关系，揭示H2A.Z显著富集于转录起始位点附近，在启动子区域与激活型H3K4me3组蛋白甲基化修饰共同富集，在增强子区域则与抑制型H3K27me3组蛋白甲基化修饰共同富集（图1）。关联分析表明，H2A.Z抑制基因表达主要是通过维持+1核小体的紧密结构和-1核小体的松散结构，而抑制基因表达。另外，H2A.Z还可以通过促进H3K27me3和抑制H3K4me3在增强子区域两种组蛋白甲基化修饰来抑制增强子活性，进而抑制基因表达（推测的工作模式见图2）。
图2.拟南芥H2A.Z调控基因表达的推测模式图
基因组中心研究助理代晓转，白有煌博士，赵丽华博士生，植保学院豆献英博士后为共同第一作者，基因组与生物技术研究中心秦源教授和植物保护学院王宗华研究员为文章共同通讯作者，福建农林大学为第一署名单位和通讯作者单位，相关工作得到国家自然科学基金、牛顿高级学者基金和福建省“百人计划”项目的资助。
论文链接：http://www.cell.com/molecular-plant/abstract/S1674-2052(17)30270-8
