删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)

何新建实验室和南方科技大学杜嘉木实验合作研究发现ISWI染色质重塑复合体的植物亚基调控开花时间的分子机制

本站小编 Free考研/2020-05-21

2020年4月30日,北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院何新建实验室和南方科技大学杜嘉木实验室合作研究在《Plant Cell》杂志在线发表了题为“Dual recognition of H3K4me3 andDNA by the ISWI component ARID5 regulates the floral transition in Arabidopsis”的研究论文。该研究鉴定了ISWI染色质重塑复合体的植物特异亚基,揭示了其通过结合DNA及组蛋白H3K4me3修饰调控开花时间的分子机制。
染色质重塑因子是调节染色质状态的重要因子,通过水解ATP产生的能量调节核小体的组装、移动、替换和剔除,从而影响DNA的复制、修复及基因表达等。ISWI是真核生物中一类保守的染色质重塑因子,主要通过介导核小体的移动使核小体的在基因区域呈均匀排布状态,从而调控基因转录。 在动物和酵母中,ISWI染色质重塑因子通常与1-3个辅助亚基结合形成多种蛋白复合体。模式植物拟南芥中的研究表明,其包含两个功能冗余的ISWI染色质重塑因子CHR11 和CHR 17,但是对ISWI染色质重塑复合体其它亚基的报道仅限于一类包含DDT结构域的蛋白家族。拟南芥中的ISWI复合物是否包含其它亚基?这些亚基如何在复合物中发挥作用?这些问题还有待研究。
何新建实验室通过对拟南芥中的ISWI复合体进行系统研究,发现拟南芥的ISWI染色质重塑复合体主要包括三种类型,将其命名为CRA(CHR11 / 17-RLT1 / 2-ARID5),CDM(CHR11 / 17-DDP1 / 2 / 3-MSI3)和CDD(CHR11 / 17) -DDR1 / 3/4/5 / DDW1)(图1A, 1B)。其中的CRA型ISWI复合体包含一个植物特异亚基,命名为ARID5。以往的研究表明,chr11/17突变体及rlt1/2突变体植物变小,育性下降,开花时间提前,其中chr11/17突变体的表型更强。该研究发现,arid5突变体的发育与开花时间表型与rlt1/2突变体相似,这证明了ARID5与其所在复合体其它亚基的功能相关性。RNA-seq分析发现,ARID5与CRA型ISWI复合体的其它亚基共同调控了多个关键开花时间调节基因的表达水平,表明该复合体各亚基可能通过共同调控这些基因的表达影响开花时间。

图1.拟南芥ISWI复合体的鉴定。(A)通过IP-MS检测到的三个亚型的ISWI复合物的亚基的蛋白质-蛋白质相互作用网络。(B)通过Y2H分析检测到的ISWI复合物亚基的蛋白质-蛋白质相互作用网络。

ARID5包含一个推测的ARID结构域和与其相邻的PHD结构域。利用生化和蛋白研究方法发现,ARID5的ARID结构域能够结合双链DNA;与其相邻的PHD结构域特异识别组蛋白修饰 H3K4me3而不识别未修饰的组蛋白或其它修饰的组蛋白(图2A-2C)。通过与南方科技大学的杜嘉木实验室的合作研究,发现ARID5蛋白的ARID-PHD双结构域能够协同作用结合H3K4me3及包含AT的DNA(图2D,2E),得到了ARID-PHD、DNA、H3K4me3形成的三元复合体,解析了其高分辨率的晶体结构 (图3A-3E)。结构分析发现,ARID5的PHD结构域中的Trp688和Trp697形成的笼状结构负责与H3K4me3的三甲基赖氨酸的特异结合,另外其PHD和ARID能够通过氢键与H3K4 周围的氨基酸残基结合,从而增强ARID5与H3K4me3组蛋白肽段的结合(图3A-3E)。ARID主要与DNA骨架上磷酸基团结合,另外ARID的T648能够通过氢键与DNA识别位点中央的AT碱基结合,这揭示了ARID识别富含AT碱基的DNA的分子机制。

图2. ARID5与DNA及H3K4me3组蛋白的结合能力测定。(A,B)EMSA检测ARID5与含AT碱基的DNA1和DNA2结合。(C)利用pulldown检测ARID5与H3K4me3的结合。(D)通过ITC检测ARID5的ARID-PHD区域与DNA的结合能力。(E)利用ITC检测ARID5的ARID-PHD区域与H3K4me3组蛋白的结合能力。

图3. ARID5的ARID-PHD区域与H3K4me3组蛋白肽段和DNA结合的结构分析。(A,B)ARID5的ARID-PHD区域与H3K4me3和DNA结合的总体结构。(C)ARID和PHD域之间的相互作用。相互作用残基突出显示,氢键以虚线表示。(D,E)AIRD5与H3A1,H3R2(D),H3K4me3,H3Q5和H3T6(E)的相互作用。相互作用的残基在图中突出显示,氢键以虚线表示。

利用ChIP-seq分析,发现野生型ARID5主要分布在染色质上富集H3K4me3修饰的基因的转录起始位点以及其后区域(图4A),所结合的区域富含AT碱基,而ARID和PHD功能缺失的ARID5与染色质的结合能力显著降低。通过遗传互补分析发现,野生型ARID5转基因能完全互补arid5突变体发育和开花时间缺陷表型,而ARID和PHD缺失或突变后,ARID5转基因不能互补arid5突变体的表型(图4B),这表明ARID与PHD结构域是ARID5行使正常的生物学功能所必需的。这表明,ARID5的ARID与PHD结构域通过负责介导ARID5与染色质结合行使其参与发育和开花时间调控的生物学功能。ChIP-PCR分析发现, ISWI染色质重塑复合体的催化亚基CHR11能够结合ARID5所在染色质位置,而当ARID5缺失后,CHR11与该染色质位置的结合能力显著降低。

图4. ARID5结合组蛋白修饰H3K4me3富集基因区域调控开花时间。(A)ARID5富集基因上的ARID5和H3K4me3信号的平均分布模式。(B)WT,arid5以及在arid5背景下表达ARID5-WT,ARID5-ΔPHD和ARID5-ARID-M的转基因植物的形态。

这些结果表明,ARID5通过ARID和PHD结构域与染色质特定位置结合,并通过这种方式增强其所在的ISWI复合体与染色质的结合能力,从而调控其靶基因的转录水平。该研究发现了植物中ISWI染色质重塑复合体的特异亚基,并揭示了植物ISWI复合体与H3K4me3及富含AT的DNA结合的分子机制,为理解ISWI复合体调控开花时间的机制提供了分子证据。
我所何新建实验室的博士生谭连美和南方科技大学的博士后刘瑞是该论文的共同第一作者。何新建博士和南方科技大学的杜嘉木博士为该论文的共同通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、北京市政府及深圳市政府的资助。
相关话题/结构 基因

  • 领限时大额优惠券,享本站正版考研考试资料!
    大额优惠券
    优惠券领取后72小时内有效,10万种最新考研考试考证类电子打印资料任你选。涵盖全国500余所院校考研专业课、200多种职业资格考试、1100多种经典教材,产品类型包含电子书、题库、全套资料以及视频,无论您是考研复习、考证刷题,还是考前冲刺等,不同类型的产品可满足您学习上的不同需求。 ...
    本站小编 Free壹佰分学习网 2022-09-19
  • 杜立林实验室揭示可省却必需基因的普遍性与规律性
    2019年3月1日,我所杜立林实验室在《Nature Communications》发表题为“Systematic analysis reveals the prevalence and principles ofbypassable gene essentiality”的文章。该文章首次对基因必需 ...
    本站小编 Free考研 2020-05-21
  • 2018年11月08日,我所张昱实验室在《Genome Biology》杂志在线发表题为“构建dCas9-EGFP小鼠并首次在活体动物中实现基因组特定位置的实时追踪 ”的文章。(https://gen
    CRISPR/Cas9 技术正成为几乎所有模式生物研究中最热门的工具之一。依赖于guide RNA (gRNA)与目标序列的互补配对,CRISPR/Cas9系统能精确地实现对靶序列的识别与编辑。先前,大多数科学工作的开展主要针对于CRISPR/Cas9系统的精确靶向和切割。目前,通过将Cas9蛋白切 ...
    本站小编 Free考研 2020-05-21
  • 单分子力谱定量解析泛素修饰对基因调控
    人类基因组包含大约31.6亿个DNA碱基对,线性DNA分子作为庞大遗传信息的载体一般都比较长(人类一条染色体的DNA长度约为2米),生命通过组蛋白将DNA分子有序组织压缩形成微米级别的染色质存储到细胞核中。核小体是染色质的结构和功能的最基本单元,其中DNA缠绕在组蛋白巴聚体周围约两圈,完成对DNA的 ...
    本站小编 Free考研 2020-05-21
  • 用材料基因工程方法发现高温非晶合金
    在合金材料中,非晶合金(又称金属玻璃)是一类新型的多组元合金。它们有独特的无序原子结构、优异的力学和物理化学特性,吸引了材料科学和凝聚态物理等多个领域的关注。非晶合金既可以具有高达6.0 GPa、比普通钢材高出15倍的强度(如Co基非晶合金),又可以像塑料一样进行超塑性加工。非晶合金的多组元特点提供 ...
    本站小编 Free考研 2020-05-21
  • 发现具有新型[BiS2Cl]2–层状结构的超导体Bi3O2S2Cl
    近年来,层状含铋化合物因其在热电材料、拓扑绝缘体以及光催化材料等领域所表现出的优异性质而受到广泛的关注和研究。2012年Mizuguchi Y.等人报道了Bi4O4S3和LaO1–xFxBiS2的超导电性,随后人们发现了Bi3O2S3,REO1–xFxBiS2 (RE = La, Ce, Pr, N ...
    本站小编 Free考研 2020-05-21
  • 二维原子晶体锑烯的结构及物性调控研究取得进展
    石墨烯的发现以及其具有的独特性质和应用价值激发了人们对其他二维材料的研究热情。其中由第V主族元素构成的单层材料由于具有较大的带隙、高的载流子迁移率以及“非平庸”的拓扑性质等特点,非常适合应用于下一代电子器件之上。单层锑烯(Antimonene)近年来被理论预言为具有宽带隙的半导体材料,同时具有高载流 ...
    本站小编 Free考研 2020-05-21
  • 硅烯表面上单层石墨烯“保护层”的构筑及其异质结构研究取得进展
    硅烯是硅原子排列成的蜂窝状翘曲结构。因其具有和石墨烯相似的几何构型,理论计算发现硅烯的能带结构与石墨烯类似,在布里渊区的顶角(K点)也存在狄拉克锥,载流子为无质量的狄拉克费米子。由于硅原子比碳原子重,硅烯具有更强的自旋轨道耦合相互作用,理论预言有可能在硅烯中观测到量子自旋霍尔效应和量子反常霍尔效应。 ...
    本站小编 Free考研 2020-05-21
  • 单分子荧光技术(smFRET)发现端粒DNA G三联体多种结构与折叠路径
    DNA是生物遗传信息的重要载体,除了经典双螺旋结构外,在真核生物染色体基因调控序列以及端粒中还广泛存在一种G四联体结构。G四联体结构在调控基因表达和维持基因组稳定性等生物学过程中扮演着重要角色。单分子荧光技术是观察与测量生物大分子构象变化的重要手段,非常适合观察G四联体结构的折叠过程。中科院物理研究 ...
    本站小编 Free考研 2020-05-21
  • 新型双元二维蜂窝结构及其非对称性电子-空穴行为
    二维体系因其低维空间属性和量子约束效应展现出独特的量子现象与材料性质,是当今凝聚态物理和材料科学的研究前沿。目前,二维体系的主要研究对象是层状二维材料,在自然界中有对应的三维体材料。有限种类的层状材料势必限制了二维体系的研究和应用范围。其实,从表面物理的观点看,独立于半导体体相的表面重构也是一种理想 ...
    本站小编 Free考研 2020-05-21
  • 二维CDW材料的量子隐含态及超快结构动力学研究取得进展
    在低维关联体系中,晶格、电荷、自旋和轨道自由度的耦合可以产生丰富的物理性能和结构现象,包括电荷/轨道序、高温超导、庞磁电阻等。近年来,借助超快脉冲激光,诱发超导瞬态和量子隐含态(Quantum hidden state)的研究已经成为凝聚态物理中的一个新的研究热点。在热力学相图中,这种量子隐含态是不 ...
    本站小编 Free考研 2020-05-21