2020年11月11日,董愛(ài)武和沈文輝團(tuán)隊(duì)于《自然通訊》(Nature Communications),在線發(fā)表題為“OsChz1 acts as a histone chaperone in modulating chromatin organization and genome function in rice”的研究論文,揭示了水稻組蛋白分子伴侶OsChz1調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因表達(dá)的分子機(jī)制。
染色質(zhì)是真核生物承載遺傳和表觀遺傳信息的載體,核小體是染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)和功能單位,由145-147bp的DNA雙鏈以左手螺旋環(huán)繞核心組蛋白八聚體構(gòu)成。真核生物DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄與修復(fù)一直伴隨著核小體的組裝/去組裝過(guò)程,該過(guò)程需要依賴組蛋白分子伴侶的幫助。已有的研究發(fā)現(xiàn)酵母Chz1是組蛋白變體 H2A.Z特異的組蛋白分子伴侶,系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)分析顯示在酵母、真菌、植物及動(dòng)物中都存在Chz1同源蛋白,但目前對(duì)Chz1蛋白的功能研究?jī)H在酵母中被報(bào)道。
為了解析高等生物Chz1同源蛋白的功能,董愛(ài)武和沈文輝團(tuán)隊(duì)對(duì)水稻OsChz1進(jìn)行了比較深入的研究。通過(guò)體外結(jié)合實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)OsChz1既能結(jié)合常規(guī)組蛋白 H2A-H2B也能結(jié)合組蛋白變體H2A.Z-H2B,而且OsChz1的C端(OsChz1-C)更偏愛(ài)結(jié)合H2A-H2B。OsChz1-H2A-H2B復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)顯示:H2A-H2B參與結(jié)合 OsChz1 的位點(diǎn)在H2A和H2A.Z中都很保守,而且主要的結(jié)合位點(diǎn)位于H2B。為了研究OsChz1的生物學(xué)功能,通過(guò)基因敲除獲得了多個(gè)水稻oschz1突變體,發(fā)現(xiàn)OsChz1的缺失會(huì)導(dǎo)致水稻多種生長(zhǎng)發(fā)育缺陷。MNase-seq和ChIP-seq分析發(fā)現(xiàn):突變體oschz1與野生型相比,核小體密度在基因組范圍內(nèi)整體下降,組蛋白變體H2A.Z的分布也明顯下降,表明OsChz1可能同時(shí)參與DNA復(fù)制依賴型和非DNA復(fù)制依賴型兩種核小體組裝過(guò)程。MNase-seq/ChIP-seq結(jié)合RNA-seq分析發(fā)現(xiàn),核小體密度和H2A.Z的富集水平與基因表達(dá)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。另外,ChIP-seq分析還發(fā)現(xiàn)OsChz1蛋白在基因組的分布與H2A.Z及轉(zhuǎn)錄抑制標(biāo)記H3K27me3和H3K4me2一致,與轉(zhuǎn)錄激活標(biāo)記H3K4me3和H3K36me3不同。綜上所述,該研究證明水稻OsChz1作為H2A-H2B和 H2A.Z-H2B共同的分子伴侶,通過(guò)調(diào)控核小體的密度及組蛋白變體H2A.Z的分布,動(dòng)態(tài)調(diào)控高等真核生物的染色質(zhì)結(jié)構(gòu),進(jìn)而調(diào)控其發(fā)育過(guò)程。
a. OsChz1缺失導(dǎo)致水稻多種生長(zhǎng)發(fā)育缺陷;b. OsChz1-H2A-H2B復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)
c. OsChz1缺失導(dǎo)致全基因組范圍核小體密度的下降;d. OsChz1缺失導(dǎo)致全基因組范圍H2A.Z的富集水平下降
董愛(ài)武和沈文輝團(tuán)隊(duì)的博士研究生杜康兮、羅強(qiáng)和尹劉翻為本文的共同第一作者,董愛(ài)武教授與沈文輝教授為共同通訊作者,晶體結(jié)構(gòu)分析由甘建華教授指導(dǎo),該研究工作由自然科學(xué)基金委和復(fù)旦大學(xué)遺傳工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助。
全文鏈接:www.nature.com/articles/s41467-020-19586-z
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