植物組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶的研究進展

夏德安劉春娟呂世博張彥妮劉奕佳馬旭俊

（1. 東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院 林木遺傳育種國家重點實驗室，哈爾濱 150040；2. 東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，哈爾濱 150040）

植物組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶的研究進展

夏德安1劉春娟1呂世博1張彥妮2劉奕佳2馬旭俊1

（1. 東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院 林木遺傳育種國家重點實驗室，哈爾濱 150040；2. 東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，哈爾濱 150040）

組蛋白乙?；且粋€動態(tài)的、可逆的過程，包括組蛋白乙?；腿ヒ阴；瘍蓚€過程。組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶催化組蛋白乙?；?，與組蛋白去乙?；腹餐饔脕碚{(diào)節(jié)組蛋白乙酰化狀態(tài)。組蛋白乙?；癄顟B(tài)影響染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)，進而影響基因的轉(zhuǎn)錄，在植物的生長、發(fā)育和脅迫反應(yīng)過程中具有十分重要的調(diào)節(jié)作用。對組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶的細胞內(nèi)分布、分類、底物特異性以及在發(fā)育和脅迫反應(yīng)中的功能進行了綜述。

組蛋白乙酰化；組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶；發(fā)育；脅迫

在真核細胞中，染色體的基本組成單位是核小體。核小體主要是由核心組蛋白八聚體（核心組蛋白H2A、H2B、H3和H4組成）與其上纏繞的146 bp的DNA組成。核心組蛋白的N端尾部可發(fā)生多種翻譯后修飾，如甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化和糖基化等。乙?；悄壳把芯康幂^早和較清楚的一種組蛋白修飾。組蛋白乙?；且粋€動態(tài)的和可逆的過程，由組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶（Histone acetyltransferase，HAT）和組蛋白去乙?；福℉istone deacetyltransferase，HDAC）共同調(diào)節(jié)。HAT能夠?qū)⒁阴］o酶A的乙?；–H3COO-）轉(zhuǎn)移到核心組蛋白（主要是H3和H4）N末端特定的賴氨酸殘基的ε-氨基基團上。組蛋白乙?；軌蛑泻唾嚢彼釟埢系恼姾?，減弱組蛋白與DNA的結(jié)合作用，使染色質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，有利于轉(zhuǎn)錄因子或轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白與DNA的結(jié)合，從而促進基因的轉(zhuǎn)錄。而HDAC則去除組蛋白賴氨酸殘基上的乙?；?，使染色體結(jié)構(gòu)緊縮［1-4］，一般被認為與基因轉(zhuǎn)錄的抑制/基因沉默有關(guān)。組蛋白乙?；癄顟B(tài)能夠影響染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)、基因的轉(zhuǎn)錄，進而調(diào)節(jié)多種生命活動，如植物的生長、發(fā)育和脅迫反應(yīng)等。本文主要就組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶的細胞內(nèi)分布、分類、底物特異性、以及在發(fā)育和脅迫反應(yīng)中的功能進行了詳細闡述。

1 植物組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶在細胞內(nèi)分布

早在1964年，Allfrey等［5］發(fā)現(xiàn)組蛋白乙?；癄顟B(tài)與基因活性具有一定的相關(guān)性，但是對于組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶和組蛋白去乙?；笡]有更進一步的發(fā)現(xiàn)。1995年，Brownell和Allis［6］以四膜蟲的核提取物為研究對象，檢測到一個具有催化活性的細胞核乙?；D(zhuǎn)移酶（HATA）的亞單位（P55），從而首次證明細胞核中乙?；D(zhuǎn)移酶的存在。目前，研究發(fā)現(xiàn)組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶在植物、動物和真菌中廣泛存在，在細胞核和細胞質(zhì)均有分布。

根據(jù)在細胞內(nèi)的分布及功能的不同，真核生物組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶可分為兩大類，即A型HAT和B型HAT。目前，植物B型HAT研究得較少，A型HAT研究得相對較多。A型HAT僅存在于細胞核內(nèi)，能夠與染色質(zhì)上的組蛋白結(jié)合，催化組蛋白發(fā)生乙酰化，也可使非組蛋白乙?；?，與基因轉(zhuǎn)錄有密切關(guān)系。B型HAT存在于細胞質(zhì)中，主要的作用是使細胞質(zhì)中組蛋白乙?；?，有利于其轉(zhuǎn)運到細胞核中，參與染色質(zhì)的復(fù)制，而與基因的轉(zhuǎn)錄無關(guān)。1999年，Lusser等［7］在玉米中發(fā)現(xiàn)一個與酵母Hat1同源的B型組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶（HAT-B）。HAT-B催化新合成的、游離的組蛋白H4上第5位和第12位賴氨酸發(fā)生乙酰化，這種乙?；欣谛潞铣傻慕M蛋白H4轉(zhuǎn)位到細胞核中，參與核小體的組裝。有些植物HAT不僅分布在細胞質(zhì)中，在細胞核中也有分布。例如，玉米HAT-B主要分布在細胞質(zhì)中，也有少部分HAT-B存在于細胞核中［7］。原生質(zhì)體瞬間表達分析顯示水稻3個組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶OsHAC701、OsHAG702和OsHAG704在細胞核和細胞質(zhì)均有分布［8］。

2 植物組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶的分類

組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶是一個超基因家族，目前已被鑒定的組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶有20多種。根據(jù)結(jié)構(gòu)上的特點，植物組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶可分為4個家族，包括GNAT（Gcn5-related N-acetyltransferase）、MYST、p300/CBP和 TAFII-250（TATA-binding protein-associated factor）家族［9-11］。目前，在擬南芥、水稻和大麥等植物中均發(fā)現(xiàn)多個HAT家族成員。早在1994年，Loidl等［12］在玉米中發(fā)現(xiàn)2個A型的組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶，HATA1和HATA2。同源序列分析表明，擬南芥具有12個HAT蛋白，其中GNAT家族有3個成員，分別為HAG1/GCN5、HAG2和HAG3；MYST家族有2個成員，分別為HAG4和HAG5；p300/CBP家族有5個成員，分別為HAC1、HAC2、HAC4、HAC5和HAC12；TAFII-250家族有2個成員，分別為HAF1和HAF2［13］。Papaefthimiou等［14］從大麥中克隆了3個HAT同源基因，分別編碼2個GNAT家族成員（HvELP3和 HvGCN5）和一個MYST家族成員（HvMYST）。目前，在水稻中發(fā)現(xiàn)8個HAT蛋白，包括3個GNAT家族成員（OsHAG702、OsHAG703和 OsHAG704），1個MYST家族成員（OsHAM701），3個CBP家族成員（OsHAC701、OsHAC703和 OsHAC704），1個TAFII250 家族成員（OsHAF701）［8］。這些來自不同家族的HAT蛋白都具有發(fā)揮乙?；D(zhuǎn)移酶活性的HAT結(jié)構(gòu)域。

2.1 GNAT家族

GNAT家族是迄今為止了解得比較全面的一類組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶。真核生物GNAT 家族可分為4個亞家族：GCN5、ELP3、HAT1和HPA2，其中HPA主要在真菌中存在。通過對140個GNAT家族成員的序列分析發(fā)現(xiàn)，真核生物GNAT家族成員在結(jié)構(gòu)上具有顯著的特點，即在N端存在長度超過100個氨基酸的保守序列（HAT結(jié)構(gòu)域）［15］，C端存在一個bromodomain結(jié)構(gòu)域［11］。HAT結(jié)構(gòu)域由4個基序（C、D、A和B）組成，A基序是高度保守的區(qū)域，能夠與乙?；o酶A結(jié)合［3］。在動物中，Bromodomain結(jié)構(gòu)域能夠與組蛋白末端乙?；馁嚢彼釟埢嘟Y(jié)合，這種結(jié)合對于染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變和基因表達的調(diào)節(jié)具有重要作用［16］。植物GNAT家族蛋白在結(jié)構(gòu)上也具有這些特點。Pandey等［13］研究發(fā)現(xiàn)擬南芥存在3種GNAT家族蛋白 HAG1、HAG3和 HAG2，分別與GCN5、ELP3 和 HAT1高度同源。擬南芥HAG1/GCN5具有bromodomain結(jié)構(gòu)域，在體外能夠使組蛋白H3乙?；?，gcn5基因發(fā)生突變會導(dǎo)致組蛋白H3乙酰化水平的降低［17］。在大麥中發(fā)現(xiàn)2個 GNAT家族成員，均具有該家族某些保守的結(jié)構(gòu)域，如HvELP3存在GNAT結(jié)構(gòu)域，而HvGCN5蛋白存在GNAT和Bromodomain結(jié)構(gòu)域［14］。

2.2 MYST家族

MYST家族蛋白在真核生物（包括人類、果蠅和酵母）中廣泛存在，在植物中也存在此類蛋白。MYST家族成員眾多，結(jié)構(gòu)多樣，主要包括人的單核細胞白血病鋅指蛋白（Monocytic leukemia zinc finger protein，MOZ）、酵母的Ybf2 /Sas3 和Sas2（Something about silencing）及哺乳動物的Tip60（Tatinteractive protein，60 kD）蛋白。雖然MYST家族蛋白在結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)多樣性，但這組蛋白均具有高度同源的、長度約為370個氨基酸的MYST結(jié)構(gòu)域，它們的一致性約為36%-77%，相似性約為54%-84%［18］。MYST結(jié)構(gòu)域與GNAT家族HAT結(jié)構(gòu)域中的A 基序高度同源。幾乎所有的MYST結(jié)構(gòu)域內(nèi)部都含有一個較小的C2HC鋅指結(jié)構(gòu)，這個鋅指結(jié)構(gòu)對于HAT酶活性的發(fā)揮具有十分重要的作用［18］。此外，有的MYST家族成員還存在chromodomain結(jié)構(gòu)域［11］。擬南芥MYST家族的2個成員HAG4和HAG5具有MYST結(jié)構(gòu)域和C2HC鋅指結(jié)構(gòu)［18］，能夠催化組蛋白H4第5位賴氨酸殘基的乙?；?。大麥的MYST家族蛋白HvMYST存在C2H2鋅指結(jié)構(gòu)、chromodomain結(jié)構(gòu)域以及MOZ-SAS結(jié)構(gòu)域［14］。MYST家族蛋白與GNAT家族蛋白均參與多個生命過程，如基因轉(zhuǎn)錄激活、DNA修復(fù)。

2.3 CBP家族

p300/CBP家族包括 p300（也稱為 EP300 or E1A binding protein p300）和CBP（CREB-binding protein）兩種分子量約為300 kD的相近蛋白。p300/CBP作為轉(zhuǎn)錄共活化因子能夠與多種轉(zhuǎn)錄因子發(fā)生相互作用而促進靶基因的表達，參與多種細胞過程（如細胞周期、分化和凋亡）的調(diào)節(jié)［19］。動物含有1-2個p300/CBP類型的組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶，而真菌缺少p300/CBP蛋白。與真菌和動物相比，植物存在較多數(shù)目的p300/CBP家族成員。例如，在擬南芥中存在5種p300/CBP家族蛋白，包括HAC1、HAC2、HAC4、HAC5和HAC12。系統(tǒng)進化樹分析顯示，早期HAC2家系出現(xiàn)分化，最終導(dǎo)致擬南芥中出現(xiàn)了其他4個同源分支HAC1、HAC4、HAC5和 HAC12［13］。植物與動物的CBP蛋白在結(jié)構(gòu)上具有共同特點，即都具有富集半胱氨酸的CBP-類型的HAT 結(jié)構(gòu)域、Znf_ZZ 結(jié)構(gòu)域和Znf_TAZ 結(jié)構(gòu)域，以及部分保守的PHD_ZnF 結(jié)構(gòu)域［8，14］。TAZ_和 ZZ_類型的鋅指結(jié)構(gòu)介導(dǎo)組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶與轉(zhuǎn)錄因子間的相互作用。PHD類型的鋅指結(jié)構(gòu)在蛋白質(zhì)識別和互作中發(fā)揮重要的作用。植物CBP蛋白缺少動物CBP蛋白所具有的bromodomain結(jié)構(gòu)域、KIX結(jié)構(gòu)域，以及C端谷氨酸富集區(qū)。 KIX結(jié)構(gòu)域能夠與核因子CREB結(jié)合，谷氨酸富集區(qū)能夠與哺乳動物特異的SRC-1和ACTR蛋白結(jié)合［13］。植物中不存在SRC-1和ACTR蛋白，因此其CBP蛋白也就不存在C端谷氨酸富集區(qū)。

2.4 TAFII250家族

TAFII250家族成員在真核生物中廣泛存在。系統(tǒng)進化樹分析顯示，在真核生物中共發(fā)現(xiàn)18個TAFII250家族成員。在真菌中發(fā)現(xiàn)2個（ScHAF201和SpHAF601）；在動物中發(fā)現(xiàn)4個（HsHAF501、HsHAF502、DmHAF401和CeHAF301）；在苔蘚和蕨類植物中發(fā)現(xiàn)4個（PpHAF1501、PpHAF1502、SmHAF1601和SmHAF1602）；在單子葉植物中發(fā)現(xiàn) 4個（ZmHAF101、SbHAF2601、OsHAF701和OsHAF2201）；在雙子葉植物中發(fā)現(xiàn)4個（AtHAF1、AtHAF2、PtHAF901和PtHAF902）［8］。TAFII250家族基因主要功能是編碼TATA結(jié)合蛋白相關(guān)因子1［TATA-binding protein（TBP）-associated factor 1］。玉米、水稻、擬南芥的TAFII250蛋白主要存在4個結(jié)構(gòu)域，TAFII250型-HAT結(jié)構(gòu)域、泛素結(jié)構(gòu)域、C2HC鋅指結(jié)構(gòu)和 bromodomain結(jié)構(gòu)域［8］。其中，泛素結(jié)構(gòu)域是植物特有的，真菌和動物的TAFII250蛋白沒有此結(jié)構(gòu)域［14］。擬南芥TAFII250型-HAT結(jié)構(gòu)域長度約為260個氨基酸，與動物和果蠅的TAFII250型-HAT結(jié)構(gòu)域長度相近［13］。植物不同類型的組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶（Histone acetylase，HAT）與來自其他真核生物（如真菌和動物）的HAT在結(jié)構(gòu)上具有相似性，但又不完全相同，在結(jié)構(gòu)域的數(shù)目和種類上都有差異。這種結(jié)構(gòu)上的差異暗示植物HAT與真菌和動物HAT在功能上可能不完全相同，植物通過自身的HAT實現(xiàn)對基因表達的調(diào)控，來調(diào)節(jié)其生長、發(fā)育和環(huán)境應(yīng)答反應(yīng)。

3 植物組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶底物特異性

目前，真核生物存在多種多樣的HAT，在基因轉(zhuǎn)錄、DNA復(fù)制和修復(fù)等過程發(fā)揮重要的作用。其功能的多樣性也代表了其底物的多樣性。HAT除了能催化組蛋白發(fā)生乙?；?，還能夠使非組蛋白發(fā)生乙?；?。

3.1 組蛋白底物

HAT能夠催化組蛋白H2A、H2B、H3和H4位于N端的賴氨酸殘基發(fā)生乙?；?0-23］。HAT主要是催化組蛋白H3、H4上賴氨酸殘基的乙?；?，不同的HAT對4種核心組蛋白具有不同的特異性和傾向性。目前在酵母、果蠅和人體中的研究表明，GNAT家族蛋白主要作用的底物是組蛋白H3和H4，酵母的Gcn5（包括SAGA和Ada）還能促使H2B蛋白發(fā)生乙?；?3］。MYST家族成員主要是使組蛋白H4、H3發(fā)生乙?；?，其中酵母的Sas3和Esa1、果蠅的MOE，以及人的Tip60和MOZ蛋白還能使組蛋白H2A發(fā)生乙?；?3］。酵母和人的TAFII250家族蛋白能使H3和H4發(fā)生乙?；?。P300/CBP家族蛋白的底物范圍最為廣泛，能夠使所有的核心組蛋白（H3、H4、H2A和H2B）發(fā)生乙?；?。

組蛋白可以有兩種存在狀態(tài)，一種是以核小體的形式存在；一種是組裝成核小體前的游離狀態(tài)。HAT也可以有兩種存在狀態(tài)，一種是作為獨立分子；另一種是作為蛋白復(fù)合物的一個成員。不同狀態(tài)下的HAT對兩種不同狀態(tài)下的核心組蛋白具有不同的催化能力。例如，MYST家族中來自酵母的Esa1和來自人類的Tip60在一般情況下是催化游離狀態(tài)的組蛋白H4、H2A和H3發(fā)生乙酰化，當(dāng)與其他蛋白形成復(fù)合物后這兩種組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶均能夠使核小體結(jié)構(gòu)上的組蛋白H4和H2A發(fā)生乙?；?4］。

HAT主要催化核心組蛋白N-端賴氨酸殘基發(fā)生乙酰化。從酵母到人類，HAT作用的賴氨酸殘基位點具有共通性。組蛋白H3第9、14、18和23位的賴氨酸殘基常發(fā)生乙?；M蛋白H4的第5、8、12和16位的賴氨酸殘基常發(fā)生乙?；?，H2A第5和9位以及H2B的第5、12、15和20位的賴氨酸殘基能夠發(fā)生乙?；?2-24］。最近，Tian等［25］研究了擬南芥組蛋白去乙?；富駻tHD1（即AtHDA19）突變體中組蛋白乙?；癄顟B(tài)的變化發(fā)現(xiàn)，AtHD1突變體（athd1-t1）的組蛋白H3第9位，H4第12位，以及H4四個位點（K5、K8、K12和K16）的乙?；潭劝l(fā)生變化，暗示擬南芥與其他真核生物具有相同的組蛋白乙?；稽c。此外，Nallamilli等［26］研究發(fā)現(xiàn)水稻組蛋白的14個賴氨酸殘基位點能夠發(fā)生乙?；阴；稽c包括組蛋白H4的第13和17位，H2B的第43和46位，H2A的第7和13位的賴氨酸殘基位點，表明植物組蛋白多個位點能夠發(fā)生乙?；?/p>

3.2 非組蛋白底物

組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶的作用底物除了組蛋白外，還包括一些非組蛋白。在動物中，這些非組蛋白包括p53、MyoD、c-Myb等轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子［22，23］。目前，Nallamilli等［26］采用免疫親和與質(zhì)譜法（Immunoaffinity purification coupled with LC-MS/MS）鑒定水稻懸浮細胞中乙?；鞍装l(fā)現(xiàn)，44種蛋白發(fā)生了乙?；?，乙?；暮说鞍變H占乙酰化總蛋白的17.2%，絕大部分發(fā)生乙?；氖欠墙M蛋白。這些乙?；牡鞍讌⑴c多種細胞過程，如調(diào)節(jié)基因組的穩(wěn)定性、基因轉(zhuǎn)錄、基因組反轉(zhuǎn)錄。此外，一些蛋白質(zhì)翻譯相關(guān)因子（如轉(zhuǎn)錄起始因子IF-3-like），以及代謝相關(guān)蛋白（如GAPDH、烯醇酶、細胞色素P450 72A1、二氫乳清酸脫氫酶）也會發(fā)生乙酰化。Finkemeier等［27］分析擬南芥葉片中乙?；鞍装l(fā)現(xiàn)，74種蛋白上的91個位點能夠發(fā)生乙?；＿@些乙?；鞍字?，除了組蛋白H3、H4 及一些核蛋白外，大部分都是非組蛋白。這些非組蛋白參與多種生命過程，如光合作用、植物發(fā)育、細胞信號傳導(dǎo)、脅迫反應(yīng)、蛋白質(zhì)合成和定位等。這些乙?；鞍字校?個乙?；鞍资呛腿~綠體光合作用有關(guān)，其中包括4個參與卡爾文循環(huán)的酶（如Rubisco大亞基），暗示乙?；侨~綠體內(nèi)蛋白質(zhì)的一種十分重要的翻譯后修飾。此外，這些乙?；鞍缀芏嗍敲?，乙?；揎椇芸赡苁敲腹δ艿囊环N重要的調(diào)節(jié)方式。Melo-Braga等［28］研究了葡萄（Vitis vinifera）受小卷葉蛾（Lobesia botrana）侵染后蛋白質(zhì)表達和翻譯后修飾的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)病害侵染后，20個位點乙酰化水平發(fā)生變化。其中，脅迫反應(yīng)相關(guān)的第二信使分子鈣結(jié)合蛋白CML（CaMCML）第95位賴氨酸殘基的乙?；缴摺＿@些在水稻、擬南芥和葡萄等植物中的蛋白質(zhì)組學(xué)研究表明，許多細胞核和細胞器中的非組蛋白均能發(fā)生乙?；揎?，乙酰化可能是蛋白質(zhì)功能、穩(wěn)定性的一種重要的調(diào)節(jié)方式。

4 組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶的功能

HAT家族的成員常以復(fù)合體的形式存在，參與多個細胞過程，如轉(zhuǎn)錄激活、基因沉默、細胞周期調(diào)控、DNA復(fù)制、修復(fù)及染色體組裝，并在這些過程中發(fā)揮十分重要的調(diào)節(jié)作用［9，10］。HAT與植物的生長、發(fā)育、脅迫反應(yīng)和細胞周期進程有密切關(guān)系［11］。

4.1 組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶在發(fā)育中的作用

HAT表達發(fā)生改變常會引起植物發(fā)育上的異常。目前研究表明HAT在植物的發(fā)育過程（尤其是花發(fā)育中）具有十分重要的調(diào)節(jié)作用。例如，擬南芥GCN5發(fā)生突變會產(chǎn)生頂生花，其花瓣變?yōu)樾廴?、萼片變?yōu)榻z狀結(jié)構(gòu)、心皮發(fā)生異位。這種花表型的變化可能與花分生組織中花發(fā)育關(guān)鍵基因WUS（WUSCHEL）和AG（AGAMOUS）的表達部位和表達水平的改變有關(guān)［29］。在另一個研究中，擬南芥GCN5突變會引起植株矮小、頂端優(yōu)勢喪失，花藥發(fā)育異常，花結(jié)構(gòu)異常［30］。擬南芥MYST家族成員HAM1和HAM2參與開花時間的調(diào)控，HAM1和HAM2基因表達抑制后會導(dǎo)致擬南芥開花提前，而HAM1基因過量表達則引起開花推遲［31］。在HAM1/2抑制表達植株（amiRNA-HAM1/2）中，F(xiàn)LC以及MAF3/4基因位點的染色質(zhì)區(qū)組蛋白H4和H4K5的乙?；浇档?，F(xiàn)LC以及MAF3/4基因的表達量低于非轉(zhuǎn)基因?qū)φ罩仓?；而在HAM1過量表達植株中，F(xiàn)LC以及MAF3/4基因位點的染色質(zhì)區(qū)組蛋白H4和H4K5的乙?；缴撸現(xiàn)LC以及MAF3/4基因的表達量高于非轉(zhuǎn)基因?qū)φ罩仓辏?1］。這些研究結(jié)果表明擬南芥HAM1和HAM2基因能夠調(diào)節(jié)開花相關(guān)基因FLC（FLOWERING LOCUS C）及其同源基因MAF3/4（MADS-box Affecting Flowering gene 3/4）所在染色質(zhì)區(qū)組蛋白的乙酰化程度，進而影響這些基因的表達，從而實現(xiàn)對植株開花時間的調(diào)控［31］。此外，HAM1和HAM1還與配子體發(fā)育有關(guān)，擬南芥HAM1和HAM1 雙突變會導(dǎo)致配子體發(fā)育停滯在減數(shù)分裂期的早期，雌、雄配子體在發(fā)育上出現(xiàn)嚴重缺陷［32］。

擬南芥P300/CBP家族的HAC1基因突變后，會引起植株開花推遲、主根根長縮短、育性一定程度的降低［33］。研究發(fā)現(xiàn)Hac1突變體中開花抑制因子FLC的表達量升高，這可能是引起開花推遲的一個因素［19，33］。Li等［34］研究了擬南芥P300/CBP家族的HAC1、HAC4、HAC5以及HAC12的功能，觀察了這些HAC基因的單基因、雙基因或三基因突變體的表型。結(jié)果顯示HAC1與其他HAC基因組合得到的雙基因或三基因突變體開花推遲，葉片形態(tài)也發(fā)生變化，如出現(xiàn)小型、顏色深綠、褶皺及鋸齒狀的蓮座葉片。總的結(jié)果顯示HAC1具有主效作用，HAC1、HAC5與HAC12具有協(xié)同作用，HAC5與HAC1協(xié)同作用最佳，HAC4 能夠減弱HAC1與HAC5的作用［34］。此外，大麥GNAT-MYST 家族的HvMYST、HvELP3 和 HvGCN5在種子發(fā)育的各個階段均能表達，但在發(fā)育不同階段表達量不同，HvMYST和HvELP3在花受精后的10-20 d表達量最高，而HvGCN5在種子發(fā)育的1-10 d表達量最高［14］，表明這些基因參與大麥種子的發(fā)育。

4.2 組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶在脅迫反應(yīng)中的作用

目前研究表明HAT的表達受植物激素、低溫、干旱以及鹽脅迫的調(diào)控。在大麥中發(fā)現(xiàn)了3個HAT蛋白，分別為HvMYST、HvELP3和HvGCN5。脫落酸（ABA）處理大麥幼苗24 h能夠誘導(dǎo)HvMYST、HvELP3和HvGCN5這些基因的表達，其表達量增加了2-4倍［14］。CBF1是一個重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白，調(diào)節(jié)低溫相關(guān)基因的表達。在酵母中，CBF1需要與GCN5以及轉(zhuǎn)錄共活化因子ADA2和ADA相互作用來活化基因的表達。在擬南芥中，存在GCN5蛋白及2個ADA2蛋白（ADA2a和ADA2b）。蛋白質(zhì)互作實驗表明擬南芥GCN5能夠與ADA2蛋白相互作用，而CBF1能夠與GCN5和ADA2發(fā)生相互作用［35］，暗示GCN5可能參與CBF1所調(diào)節(jié)的低溫脅迫反應(yīng)。最近研究表明，擬南芥GCN5突變或其互作蛋白ADA2b突變均會導(dǎo)致低溫適應(yīng)性相關(guān)基因COR（Cold regulated gene）表達的下降，但并不影響COR基因啟動子區(qū)H3組蛋白的乙?；潭?，這些結(jié)果表明HAT參與低溫脅迫反應(yīng)，但HAT具體的作用機制仍有待深入了解［36］。

在水稻中存在8個HAT基因［8］，F(xiàn)ang等［37］分析了來自于不同家族的水稻HAT基因OsHAC703、OsHAG703、OsHAM701和OsHAF701在干旱條件下的表達，結(jié)果表明這4個基因的表達均受干旱脅迫的顯著誘導(dǎo)。當(dāng)干旱處理29 h后，OsHAC703、OsHAG703、OsHAM701和OsHAF701基因的表達水平分別是對照的2.7、2.2、5.3和7.7倍。其中，OsHAC703、OsHAG703和OsHAM701這3個基因的表達還受植物激素ABA的誘導(dǎo)［37］。這些研究結(jié)果表明水稻HAT基因參與干旱脅迫的應(yīng)答反應(yīng)。此外，HAT還與鹽脅迫反應(yīng)有密切關(guān)系。鹽脅迫下，玉米根的生長受到抑制，根細胞增大，根變粗。Li等［38］的研究發(fā)現(xiàn)這種鹽脅迫的適應(yīng)性表型很可能受表觀遺傳的調(diào)控。在此研究中，200 mmol/L NaCl處理不同時間（2-96 h）后，玉米B-型HAT基因HATB和A-型HAT基因GCN5的表達水平上調(diào)。 NaCl處理96 h時，ZmHATB基因轉(zhuǎn)錄水平達到最高，是對照的2.8倍；而NaCl處理4 h，GCN5基因的轉(zhuǎn)錄水平達到最高，是對照的3.3倍。HATB和GCN5基因表達水平上調(diào)的同時，伴隨著組蛋白H3K9和H4K5乙?；降奶岣?，二者分別提高了40%和60%。此外，與細胞壁擴張和伸展相關(guān)的基因EXPB2（β-expansin）和XET1（Xyloglucan endotransglucosylase）的轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)，它們啟動子區(qū)H3K9乙酰化水平也提高［38］。這些研究表明，HAT可通過影響基因的表達引起鹽脅迫下玉米根表型發(fā)生變化。

此外，HAT還參與光反應(yīng)過程。Bertrand等［39］的研究表明擬南芥TAFII250家族的HAF2基因作為轉(zhuǎn)錄共活化因子參與光信號反應(yīng)，活化光誘導(dǎo)基因的轉(zhuǎn)錄。如果HAF2基因突變，會導(dǎo)致葉片顏色發(fā)黃、葉片的葉綠素含量減少，以及光誘導(dǎo)基因RBCS-1A和 CAB2的表達量顯著降低［39］。該研究組隨后發(fā)現(xiàn)擬南芥GCN5也參與光反應(yīng)過程，AtGCN5突變引起胚軸延長以及光誘導(dǎo)基因RBCS-1A和CAB2表達水平降低，GCN5和HAF2基因的雙重突變會導(dǎo)致這些光誘導(dǎo)基因表達水平進一步下降。Benhamed等［40］的研究表明組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶基因GCN5和HAF2需要共同存在，才能實現(xiàn)光誘導(dǎo)基因啟動子區(qū)組蛋白H3K9、H3K27和H4K12 的乙酰化。

5 結(jié)語

組蛋白乙?；且环N十分重要的表觀遺傳修飾。組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶催化組蛋白乙?；€能夠催化細胞核和細胞器內(nèi)非組蛋白的乙?；?，調(diào)節(jié)這些蛋白的功能。組蛋白乙?；cDNA甲基化互相關(guān)聯(lián)，互相作用，共同調(diào)節(jié)基因的表達。因此，組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶參與的基因表達調(diào)控是一個復(fù)雜的過程，既涉及與組蛋白去乙酰化酶的共同作用，也涉及與DNA甲基化的相互作用。通過對擬南芥等植物的研究，人們對植物組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶有了一定的了解，目前的研究表明HAT參與植物的生長、發(fā)育和脅迫反應(yīng)，而HAT在這些生命過程中的具體功能及其作用機理（包括其上游調(diào)節(jié)基因）仍有待深入研究。

目前，大部分組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶的研究主要是以擬南芥、玉米、水稻和大麥等草本植物或農(nóng)作物作為研究對象，而其他物種（如木本植物）的組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶鮮有報道。因此，組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶仍有待廣泛和深入的研究。表觀遺傳修飾（包括組蛋白乙?；┚哂锌焖佟⒖赡婕翱蛇z傳的特點，是植物適應(yīng)脅迫的一個快速和有效的方式。研究HAT所參與的脅迫反應(yīng)的表觀遺傳調(diào)控機理，鑒定脅迫相關(guān)的HAT基因功能，對于培養(yǎng)優(yōu)良的抗逆新品種具有重要的意義。

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（責(zé)任編輯 狄艷紅）

Research Progress of Plant Histone Acetyltransferases

Xia Dean1Liu Chunjuan1Lü Shibo1Zhang Yanni2Liu Yijia2Ma Xujun1
（1. State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding，School of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040；2. School of Landscape Architecture，Northeast Forestry University，Harbin 150040）

Histone acetylation is a dynamic and reversible process， including histone acetylation and de-acetylation. Histone acetyltransferases mediate histone acetylation and act in concert with histone deacetylases to regulate the status of histone acetylation， which modifies chromatin structure， affects gene transcription and thus plays a crucial regulatory role in plant growth， development and stress responses. In this review， we summarize the current research progress of histone acetyltransferases in respects of cellular distribution， classification，substrate specificity and functions.

histone acetylation；histone acetyltransferase；development；stress

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.07.003

2014-12-15

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（31200497），黑龍江省博士后基金項目（LBH-Z13006）

夏德安，男，博士，副教授，研究方向：林木遺傳育種；E-mail：xiadean@126.com

馬旭俊，博士，講師，研究方向：林木遺傳育種；E-mail：mxj3000@sina.com