近日，作物遺傳改良國家重點實驗室和湖北洪山實驗室周道繡和趙毓教授課題組在The Plant Cell 雜志上在線發表題為“A coiled-coil protein associates Polycomb Repressive Complex2 （PRC2） with KNOX/BELL transcription factors to maintain H3K27me3 and gene repression in shoot apex”的研究論文，揭示了PRC2相關蛋白PACP通過調控組蛋白H3K27me3修飾參與水稻莖尖分生組織（SAM）活性維持的表觀遺傳機制。
組蛋白H3第27位賴氨酸三甲基化（H3K27me3）是一類維持基因和基因組沉默的關鍵組蛋白修飾，在動植物生長發育和環境適應性應答中發揮著重要的調控作用。H3K27me3修飾由多梳蛋白復合物2（PRC2）催化建立和維持，組蛋白去甲基化酶負責去除（Li et al., The Plant Cell, 2013）。植物莖頂端分生組織發育是地上部分所有器官的來源，是決定農作物地上部分的生物量、產量和品質的重要因素。本課題組前期研究發現，PRC2及其參與催化的H3K27me3修飾在水稻頂端分生組織活性的維持和側生器官建成過程中發揮著重要功能（Liu et al., The Plant Cell. 2015；Cheng et al., Nucleic Acids Research, 2018），但其具體調控機制尚不清楚。本項目從水稻PRC2特異的靶向招募機制入手，以鑒定和研究水稻PRC2 非核心組分為切入點，對PRC2及H3K27me3參與SAM發育的調控機制進行了解析。
本研究利用免疫沉淀偶聯質譜（IP-MS）和酵母雙雜交等方法鑒定到一類新的PRC2相關因子，命名為 PACP （PRC2 Associated Coiled-coil Protein），該蛋白C端含有特殊的Coiled-coil 結構域。研究發現PACP蛋白除了能夠形成同源二聚體外，還可以與PRC2核心組分以及SAM發育的重要調控因子KNOX/BELL相互作用。PACP蛋白在植物進化中極其保守，最早在輪藻中出現，這表明該蛋白可能在植物的形態建成中發揮重要的功能。PACP與PRC2核心組分功能缺失的水稻植株都表現為植株矮化、分蘗增多和早花等表型。細胞學進一步分析發現這些突變體的頂端分生組織都變小；突變體轉錄組數據分析發現大量側生器官發育相關的基因在SAM中異位高表達。同時， PACP功能缺失導致了水稻基因組中H3K27me3修飾以及PRC2結合水平都顯著降低，這些結果表明PACP維持SAM活性依賴于PRC2及H3K27me3對SAM中促進側生器官發育基因的抑制。染色質免疫沉淀數據分析表明PACP與 PRC2在水稻全基因組的分布模式相似，它們直接調控的下游基因大部分都可以被KNOX蛋白OSH1結合。該研究解析了PACP 參與PRC2 的募集機制以及在招募位點通過H3K27me3修飾維持頂端分生組織活性的機制，建立了染色質修飾、SAM活性以及基因表達調控之間的直接聯系，為PRC2介導的水稻頂端分生組織發育調控機制的闡明奠定了基礎。
華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室、湖北洪山實驗室和生命科學技術學院博士后譚豐全和王文韜為該論文共同第一作者，周道繡教授和趙毓教授為共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費等項目的資助。
原文鏈接：https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koac133/6580212?searchresult=1
【英文摘要】
Polycomb Repressive Complex 2 （PRC2）， which mediates the deposition of H3K27me3 histone marks, is important for developmental decisions in animals and plants. In the shoot apical meristem, TALE （Three Amino acid Loop Extension） family KNOX/BELL transcription factors are key regulators of meristem cell pluripotency and differentiation. Here, we identified a PRC2-associated coiled-coil protein （PACP） that interacts with KNOX/BELL transcription factors in rice （Oryza sativa） shoot apex cells. A loss-of-function mutation of PACP resulted in differential gene expression similar to that observed in PRC2 gene knockdown plants, reduced H3K27me3 levels, and reduced genome-wide binding of the PRC2 core component EMF2b. The genomic binding of PACP displayed a similar distribution pattern to EMF2b, and genomic regions with high PACP and EMF2b binding signals were marked by high levels of H3K27me3. We show that PACP is required for the repression of cell differentiation-promoting genes targeted by a rice KNOX1 protein in the shoot apical meristem. PACP is involved in the recruitment or stabilization of PRC2 to genes targeted by KNOX/BELL transcription factors to maintain H3K27me3 and gene repression in dividing cells of the shoot apex. Our results provide insight into PRC2-mdiated maintenance of H3K27me3 and the mechanism by which KNOX/BELL proteins regulate shoot apical meristem development.
