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“斷臂信使”EIN2-C與組蛋白乙酰化修飾
在20世紀(jì)60年代，乙烯被確定為一種植物內(nèi)源激素。乙烯對(duì)種子萌發(fā)、果實(shí)成熟、器官脫落和衰老等多種生理過(guò)程，以及植物在應(yīng)對(duì)生物和非生物脅迫中都發(fā)揮重要作用【1-4】。在有乙烯存時(shí)，EIN2 C端去磷酸化，從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)切割下來(lái)進(jìn)入細(xì)胞核，在乙烯信號(hào)傳導(dǎo)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，但其生物學(xué)功能仍然令人困惑。
2015年9月25日，美國(guó)德克薩斯大學(xué)*分校喬紅實(shí)驗(yàn)室在Nature Communications發(fā)表了題為EIN2-dependent regulation of acetylation of histone H3K14 and non-canonical histone H3K23 in ethylene signaling的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)乙烯特異性提高了黃化幼苗中組蛋白H3K14的乙?；虷3K23的非經(jīng)典乙酰化水平。而H3K14Ac和 H3K23Ac水平在ein2-5中顯著降低。以EIN2 CEND（EIN2 C-terminal end）酵母雙雜交篩選，作者發(fā)現(xiàn)了一個(gè)包含SANT 結(jié)構(gòu)域的蛋白ENAP1 (EIN2 nuclear associated protein 1)。ENAP1ox株系展現(xiàn)出短的下胚軸，表明ENAP1正向調(diào)控對(duì)乙烯的響應(yīng)。之前的研究表明，包含SANT 結(jié)構(gòu)域的蛋白能夠和組蛋白相互作用【5,6】?；诖隧?xiàng)報(bào)道，作者發(fā)現(xiàn)ENAP1可以和H3互作，并提高H3在K14 和 K23的乙?；健＿z傳分析發(fā)現(xiàn)，ein2-5 和 ein3-1eil1-1 都可以部分恢復(fù)ENAP1ox的表型。另外，ENAP1 也可以和 EIN3相互作用，表明EIN2、ENAP1 和 EIN3三者可能作為一個(gè)復(fù)合體參與對(duì)乙烯的響應(yīng)。
在有乙烯時(shí)，EIN2對(duì)于H3K14Ac和H3K23Ac的升高至關(guān)重要
EIN2參與調(diào)控乙烯介導(dǎo)的H3K14Ac和 H3K23Ac的水平升高，但是機(jī)制不清楚。2017年9月19日，喬紅團(tuán)隊(duì)在PNAS發(fā)表了題為EIN2 mediates direct regulation of histone acetylation in the ethylene response的研究論文，回答了這個(gè)科學(xué)問(wèn)題。該研究發(fā)現(xiàn)，H3K14Ac和H3K23Ac的水平與EIN2蛋白的水平相關(guān)，而且EIN2-C足以挽救ein2-5的H3K14 / 23Ac水平。EIN2-C不包含DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，那么EIN2-C是怎么與染色質(zhì)纏繞來(lái)調(diào)控組蛋白的乙?；降?？橋梁蛋白ENAP1再次映入作者的腦海中。通過(guò)對(duì)乙烯處理的pENAP1-ENAP1-YFP轉(zhuǎn)基因株系進(jìn)行ENAP1-ChIP/EIN2-reChIP分析發(fā)現(xiàn)，在ENAP1和EIN2結(jié)合的1,739個(gè)基因中，在有乙烯時(shí)，超過(guò)50％的ENAP1-ChIP / EIN2-reChIP靶標(biāo)與ENAP1結(jié)合靶標(biāo)重疊。進(jìn)一步的，作者發(fā)現(xiàn)乙烯通過(guò)調(diào)控EIN2-C與ENAP1的結(jié)合能力，而非ENAP1的蛋白水平來(lái)介導(dǎo)H3K23Ac的升高。無(wú)論是否存在乙烯，在Col-0中受乙烯調(diào)節(jié)的基因中，有超過(guò)92％的基因在ENAP1OE/ein2-5中沒(méi)有差異表達(dá)，表明ENAP1在乙烯響應(yīng)中依賴于EIN2?？傊?，在沒(méi)有乙烯的時(shí)，ENAP1與組蛋白結(jié)合，潛在保留開(kāi)放的染色質(zhì)狀態(tài)，以保證植物能夠快速響應(yīng)乙烯刺激。
gRNA-EIN3-T/dCas9-EIN2-C部分恢復(fù)ein2-5的表型
既然乙烯可以改變組蛋白的乙?；剑敲匆粋€(gè)科學(xué)問(wèn)題躍然紙上：在這個(gè)乙烯調(diào)控的生物學(xué)過(guò)程中，修飾組蛋白乙?；拿甘鞘裁矗窟@包括組蛋白去乙?；?/span>（histone deacetylases, HDACs）。2018年1月3日，喬紅團(tuán)隊(duì)在The Plant Cell發(fā)表了題為Histone deacetylases SRT1 and SRT2 interact with ENAP1 to mediate ethylene-induced transcriptional repression的研究論文。在該研究中，作者在以ENAP1 or EIN2-C進(jìn)行的酵母雙雜交篩選中，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)HDACs：SRT1和SRT2。無(wú)論是否有乙烯時(shí)，SRT1和SRT2都以與ENAP1結(jié)合，并且乙烯可以增強(qiáng)這種結(jié)合。轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，在Col-0中被乙烯抑制的基因中，約50％在乙烯處理的str1-1 srt2-1突變體中無(wú)響應(yīng)，表明乙烯誘導(dǎo)基因的轉(zhuǎn)錄抑制依賴于SRT1和SRT2。另外，與Col-0相比，在srt1-1 srt2-1中，H3K9Ac水平顯著增加，而H3K14Ac和H3K23Ac水平上沒(méi)有顯著差異，表明SRT1/2是擬南芥組蛋白去乙?；福⒃贙9位點(diǎn)調(diào)節(jié)H3的乙?；＿z傳數(shù)據(jù)也支持這一觀點(diǎn)，SRT2ox/ein2-5 和 SRT2ox/ein3-1 eil1-1對(duì)乙烯的響應(yīng)都依賴于EIN2和EIN3。綜上所述，在乙烯存在下，ENAP1募集SRT1和SRT2去除H3上K9的乙酰基，在乙烯抑制基因的啟動(dòng)子上保持低水平的H3K9Ac來(lái)抑制它們的表達(dá)。
SRT1和SRT2調(diào)控H3K9Ac的工作模式圖
行文至此，EIN2調(diào)控組蛋白乙酰化的機(jī)制漸漸清晰，但是別忘了在乙烯信號(hào)通路中還有一個(gè)“兵團(tuán)司令”EIN3，EIN3又是怎么調(diào)控乙烯介導(dǎo)的表觀遺傳修飾呢？欲知后事如何，且聽(tīng)下回分解。
喬紅，在中科院遺傳發(fā)育所取得博士學(xué)位，隨后在Salk開(kāi)展博士后研究。2013年，喬紅就職于美國(guó)德克薩斯大學(xué)*分校，研究方向是激素和脅迫信號(hào)調(diào)控下的染色質(zhì)修飾與基因調(diào)控。經(jīng)過(guò)多年探索，喬紅團(tuán)隊(duì)已在期刊上發(fā)表多篇重要論文，在乙烯信號(hào)通路的解析以及乙烯對(duì)組蛋白修飾的調(diào)控機(jī)制研究中取得了一系列重要進(jìn)展。