拟南芥应答环境变化的表观遗传学调控研究进展

李汉梁，陈素珠，洪蝉缘，林雪娇

（福建师范大学，福建 福州 350108）

在植物生长发育过程中，植物的应答调控对植物适应外界环境变化，进行正常的生长、发育与再生起着至关重要的作用。有些应答决定着植物正常的生长与发育的时机，如植物对于开花的时机的调控受光周期、春化作用等的影响［1］。有些应答使植物可以在一定程度上适应不良的环境，得以生存下来，如对低温的应答反应、对盐的应答反应、对病原菌的免疫应答反应和对干旱的应答反应等。表观遗传学是20世纪80年代逐渐兴起的一门学科，研究的是在不改变DNA序列的前提下，某些机制所引发的可稳定遗传的基因表达或细胞表型的变化［2］。本文总结了组蛋白变体H2A.Z在拟南芥各种应答反应中所扮演的角色，阐述了组蛋白的甲基化修饰对于拟南芥开花过程调控的重要意义，并列举了拟南芥其他一些应答反应的表观遗传学调控机理。

1 表观遗传学调控在应答反应中的调控作用

表观遗传学研究的方向大体可分为两类：研究基因的选择性转录表达调控与基因转录后调控。其中，前者研究的现象包括染色质的重塑、组蛋白的共价修饰、DNA的甲基化、基因印记及假基因等；后者研究的现象包括RNA的可变剪接、非编码的RNA、核糖开关等。组蛋白依据凝胶电泳性质分为5类：H1、H2A、H2B、H3、H4。由核心组蛋白H2A、H2B、H3、H4各两个拷贝组成组蛋白八聚体，组蛋白八聚体在组蛋白H1的作用下形成稳定结构，其周围缠绕的核心DNA约1.65圈、合147个碱基对，再加上邻近的一段20～50个碱基对的DNA连接子共同构成染色质的基本单位——核小体［3］。核小体这种紧密的结构不利于转录的进行，通过染色质的重塑、组蛋白变体的相互作用和组蛋白的共价修饰可以改变这种情况。虽然组蛋白八聚体中组蛋白变异体的功能尚未完全明确，但组蛋白变异体形成的明显不同的染色质结构确实起到了重要的生物学作用。在核心组蛋白中H2A家族的变异体种类最多，目前在自然界（包括动物和部分植物）中存在H2A.Z、MacroH2A、H2A.Bbd、TH2A和 H2A.X这五种变体均能参与核小体的形成，影响核小体的稳定性［3］。在核心组蛋白中有两个结构域：组蛋白球形折叠区和氨基末端（N端）结构域。其中，氨基末端伸出核小体，可与调控蛋白和DNA相互作用，上面的一些特异位点常被组蛋白修饰酶共价修饰，这些修饰包括乙酰化、甲基化、磷酸化、ADP核糖基化、泛素化、SUMMO化和羟基化等［3］。

2 拟南芥应答基因转录调控中的H2A.Z

H2A.Z在拟南芥的基因表达调控中扮演着重要的角色。拟南芥中ARP6基因编码的蛋白是SWR1复合物的重要组成，是升温应答调控中的重要因子。ARP6的突变会引发H2A.Z的缺失，从而导致拟南芥在正常温度下异常启动温度应答基因，表现出在温暖环境中的表型［4］。常温（22℃）下，在温度应答基因的启动位点的第一个核小体处有H2A.Z的聚集，而在较温暖的环境（27℃）中H2A.Z会减少或被替换为正常的H2A。此外，在环境温度改变的信号引发的基因激活或抑制中都有H2A.Z丢失的现象。这些数据显示在转录起始位点的H2A.Z的存在有助于基因的应答调控。在磷酸盐缺乏的应答反应［5］与系统获得性应答中也有相似的现象［6］。在ARP6突变的植株中磷酸盐缺乏的应答基因会在正常情况下启动，并使植物表现出与磷酸盐缺乏类似的性状。在野生型植株中，这些基因在转录起始位点附近的核小体中都含有H2A.Z，并在正常情况下维持在一个比较低的表达水平［5］。系统获得性抗性基因在植物激素水杨酸的调控下正常表达，但在H2A.Z突变及SWR的组成成分PIE1和SEF突变体中处于持续表达状态，并使植株表现出自发的细胞死亡和病院抗性的增强［6］。在实验中，H2A.Z或SWR1复合体发生突变应答基因表现出了与正常植株在相应诱导信号出现时相同的转录水平的改变。综上所述，H2A.Z的功能很可能是用来在没有相应诱导信号出现时抑制应答基因的表达。

利用基因组分析技术发现，在拟南芥中H2A.Z不仅如其他生物一样在转录起始位点的第一个核小体上聚集，还出现在一些低表达的基因体（gene body）中［7］。有趣的是有研究表明那些在基因体中的H2A.Z与基因的较高级的应答调控相关［8］。H2A.Z会在那些对环境或变化的刺激进行应答的基因体中聚集，如果H2A.Z缺失会导致这些基因的转录发生错误的调控。研究者们认为在基因体中的H2A.Z使基因的表达更具变化性。在拟南芥中在上述胁迫应答基因中发生的基因诱导和动态的核小体的重塑显著改变了核小体的密度与组蛋白的修饰［9］。H2A.Z可能在一定程度上参与了应力应答基因的基因体中核染色质的动态改变。而基因的诱导可以引发组蛋白的置换。拟南芥中另一个保守的组蛋白变体H3.3存在于那些处于转录激活状态的基因的启动子与基因体中，并可能参与组蛋白的置换［10］。在人体细胞中，如果核小体中同时存在H2A.Z与H3.3会是其相比于那些含H2A／H3或含 H2A.Z／H3的核小体稳定性差［11－12］。同时含H2A.Z和H3.3的核小体的这种不稳定性也许有利于基因体中核小体的移除并促进染色质重塑和组蛋白修饰，使染色质变得有利于转录激活的进行。也可能这种不稳定性本身使细胞对胞内环境敏感从而作为胞内外信号的传感器，在植物的应答反应中可能也存在类似的机制。

3 拟南芥开花调控中的组蛋白甲基化修饰

目前认为组蛋白甲基化只发生在组蛋白的赖氨酸残基和精氨酸残基上，其中赖氨酸可以被单、双、三甲基化，而精氨酸残基能够形成单、双甲基化，其中精氨酸的双甲基化还可分为对称与不对称两种类型［3］。在组蛋白中已发现的会发生甲基化的位点常见的有H3中第4、9、27、36、79位，H4中第20位的赖氨酸残基与H3中第2、8、17、26位，H4中第3位的精氨酸残基［13］。

一般情况下，H3K9与H3K27的甲基化与基因沉默相关，H3K4与H3K36的甲基化与基因的激活相关［3］，H4K20的甲基化与DNA的损伤应答有关［3］，关于组蛋白精氨酸甲基化修饰的生物学功能现在研究得较少，H3R2me2a不对称的双甲基化（asymmetric）会拮抗H3K4的三甲基化［5］，因此可能与基因表达抑制相关。

在植物中FLC编码的蛋白是开花过程中起决定作用的负调控因子，在拟南芥中它受FRI依赖途径、自主途径、春化途径、光周期途径和赤霉素信号途径的共同调控。其中FRI依赖途径、自主途径与春化途径都是通过改变FLC染色体的结构调控开花过程的，组蛋白甲基化修饰在其中扮演着重要的角色。

H3K4、H3K36和H3K79的甲基化能促进FLC的表达；而H3K9与H3K27的甲基化会抑制FLC的表达［14－17］。FRI依赖途径在开花时间的调控中起重要作用是拟南芥所特有的，与其他植物相比在C24型拟南芥中FRI依赖途径对于开花时间的调控可以取代部分自主途径的调控。参与FRI依赖途径的ELF7和ELF8是FLC发生H3K4甲基化所必须［16］，在初始阶段由ELF7、ELF8和VIP4等组成的PAF1复合物通过招募EFS来甲基化FLC中的H3K4。之后PAF1结合EFS后可以通过识别这一甲基化信号起始FLC的转录的并在EFS的作用下进一步促进H3K4的甲基化［18］。另外PIE1同样是通过对这一甲基化信号的识别而结合到FLC的核心体中起到稳定这一状态的作用，维持FLC的高表达［19］。这一机制的存在能有效的防止拟南芥过早开花，同时对这一机制的阻断是其他促进开花的调控的主要手段。

在拟南芥自主途径抑制因子FLD和FVE可以促进FLC的去乙酰化进程［20－21］，来阻止ELF7和ELF8的结合，抑制FLC的表达。另外还有研究发现，在拟南芥中存在一种具有催化FLC中H3K36的甲基化活性的甲基转移酶——SDG8，其对FLC表达的促进作用不受春化作用与光周期调控的影响［17］。

在拟南芥的春化调控途径中，VIN3在春化过程中被诱导表达，并与相关蛋白组成组蛋白去乙酰化复合物HDAC特异的去乙酰化FLC的H3K9和H3K14阻止EFS对H3K4的甲基化，进而阻断PAF1复合物对 FLC的转录［23－24］。在春化作用后，VIN3表达由于缺少春化作用的持续诱导而下调，对FLC表达的抑制逐渐消失［23］，但在此阶段VRN1与VRN2会将促进FLC中H3K9与H3K27的双甲基化，是FLC异染色质化，从而在春化作用后对FLC进行持续性的抑制，促进开花［25］。

在2004年第一个组蛋白的去甲基化酶LSD1（lysine specific demethylase 1）被发现前，组蛋白的甲基化一直被认为是不可逆的［26］。随着组蛋白去甲基化酶的陆续发现，完善了组蛋白甲基化修饰的调控机制，表明组蛋白的甲基化修饰是一种更为动态的过程，为表观遗传学的研究提供了新的突破口。除了LSD家族，还存在具有更广泛组蛋白去甲基化酶活性的JMJC家族的蛋白。在拟南芥中目前已经发现了4种与LSD1同源的组蛋白去甲基化酶和21个JMJC家族成员［27］，其中8个已被报道具有一定的生物功能。其中JMJC蛋白对开花的调控研究得相对较多。其中ELF6（Early Flowering 6）／JMJ11在光周期调控中起作用，抑制开花［28］。JMJ14催化开花抑开花途径整合因子FT、AP、SOC1与LFY中H3K4的去甲基化，防止早花［29］。而REF6（Relative of Early Flowering 6）／JMJ12、JMJ15与JMJ18会抑制FLC的表达而促进开花。其中JMJ15是H3K4me3的组蛋白去甲基化酶，JMJ18是H3K4me2／3的组蛋白去甲基化酶，均能下调FLC中 H3K4的甲基化程度［30－32］。

4 拟南芥应答机制中的其他一些表观遗传学调控机制

在不同的生物中，H2A.Z与DNA的甲基化的分布在全基因组中呈负相关性［7，33］，在拟南芥中也不例外［7］。这种明显的负相关性，DNA甲基化与H2A.Z被认为可能会相互排斥［7］。但在后续研究中发现，全局性的DNA去甲基化会使H2A.Z在正常会被甲基化的基因中聚集，而全局性的破坏H2A.Z并不影响 DNA 的甲基化水平［7－8］。其中DNA去甲基化导致的H2A.Z的插入的原因还有待进一步研究。

与H3和H4的乙酰化相比，H3K4me3的甲基化在拟南芥对干旱的应答反应中，同样随着胁迫的出现而快速被诱导起作用，但在应力消失后，乙酰化迅速恢复到诱导前水平，而H3K4me3还会在一定时间内维持一定的水平，发挥着转录记忆功能［34－37］。另外，H2B的单泛素化（H2Bub）在拟南芥光形态发生过程中促进了应答的快速反应［38］。

另外在拟南芥中，乙酰转移酶复合物GCN5的异常会影响开花、结荚、及对盐和低温的耐受能力［39］，而去乙酰化酶复合物 HDA6与HDA19均参与了对病原入侵的防御应答和对盐的应答调控［40－43］。

5 结语

植物对外界刺激的应答反应是植物对不良反应的适应能力。在这些应答反应中，表观遗传调控这种高效、可塑的调控机制对于使植物可以在合适的时机进行生殖生长，在资源有限的环境中充分利用资源以及防御灾害使植物的种族得以延续中是至关重要的。目前，应答反应中的表观遗传学研究才刚刚开始，许多机制的研究还不成系统，更谈不上把这些付诸应用实践。

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