植物組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶研究進(jìn)展

馮 鵬，廖 菲，農(nóng) 向

（樂山師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，四川 樂山 614000）

0 引言

組蛋白修飾是表觀遺傳學(xué)中一種重要的調(diào)控形式[1- 2]，其在調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育、基因表達(dá)調(diào)控、非生物脅迫適應(yīng)性等方面發(fā)揮著重要作用[3]。在真核細(xì)胞中，組蛋白的N 末端尾巴上會(huì)有多種翻譯后修飾，包括乙?；?、甲基化、泛素化、磷酸化和SUMO 化等[4-5]。在不同類型的組蛋白修飾中，組蛋白的可逆乙酰化/去乙?；坪跏侨旧|(zhì)的激活狀態(tài)和抑制狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵開關(guān)[6]。組蛋白H3（K9、K14、K18、K23 和K27）和H4（K5、K8、K12、K16 和K20）的N末端賴氨酸殘基是植物中乙酰化的靶標(biāo)[7]。通常，組蛋白的高程度乙?；瘯?huì)放松染色質(zhì)結(jié)構(gòu)并與轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)，而組蛋白的低程度乙酰化會(huì)誘導(dǎo)染色質(zhì)的緊縮進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致基因轉(zhuǎn)錄的阻抑[8- 9]。

乙?；^程涉及HATs 等多種酶將乙?；鶑囊阴?CoA 轉(zhuǎn)移到賴氨酸殘基的ε-氨基上[8]。這種修飾不同于在翻譯過程中發(fā)生的蛋白質(zhì)氨基末端的N-α-乙?；?。在氨基側(cè)鏈上添加乙?；梢灾泻驼姾?，改變氨基酸的整體大小，并改變局部疏水性。賴氨酸殘基的乙?；€會(huì)產(chǎn)生與其他蛋白質(zhì)的結(jié)合位點(diǎn)，比如含bromodomain的蛋白質(zhì)必須與乙?；馁嚢彼崽禺愋越Y(jié)合[10]。最后，乙?；馁嚢彼峥梢耘c其他修飾相互作用，如與相同殘基的修飾競爭或與相鄰殘基的修飾相互影響[11- 12]。

植物在其生命周期中會(huì)受到包括非生物和生物脅迫在內(nèi)的各種環(huán)境因素的影響。此外，許多生物過程，如細(xì)胞分化、生長和發(fā)育等都受到環(huán)境因素的影響。在環(huán)境因素的影響下，多種核小體組蛋白翻譯后修飾，如組蛋白乙酰化等是介導(dǎo)基因表達(dá)變化的重要機(jī)制，而組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶則是介導(dǎo)組蛋白乙?；^程的關(guān)鍵酶。文中總結(jié)的植物組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶的研究進(jìn)展為后續(xù)研究表觀遺傳信號(hào)傳導(dǎo)途徑以及探討組蛋白乙酰化在指導(dǎo)作物分子育種方面提供了理論基礎(chǔ)。

1 組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶的分類

根據(jù)氨基酸序列分析，植物HAT 可以分為四類：（a）p300/CREB（cAMP 響應(yīng)元件結(jié)合蛋白）結(jié)合蛋白(CBP)家族的HAT，簡寫為HAC。（b）TATA-binding protein-associated factor(TAFII250)家族組HAT，簡寫為HAF。（c）General control nonrepressible 5-related N-terminal acetyltransferase(GNAT) 家族HAT，簡寫為HAG。（d）MYST 家族HAT包括MOZ、Ybf2/Sas3、Sas2 和Tip60，簡寫為HAM[13]。

在GNAT 組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶超家族中，GNAT 蛋白質(zhì)從N-端至C-端順序由C、D、A和B 組成的HAT 結(jié)構(gòu)域組成[13]。此外，它還包含一個(gè)Arg/Gln-X-X-Gly-X-Gly/Ala 片段，該片段專門與乙酰-CoA 底物的識(shí)別和結(jié)合相關(guān)[14-15]。

MYST 家族HAT 也是由具有的獨(dú)特的保守的HAT 結(jié)構(gòu)域所定義的，其僅具有HAT 結(jié)構(gòu)域的A 基序。MYST 結(jié)構(gòu)域包含一個(gè)C2HC 鋅指和一個(gè)與GNAT 超家族組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶相同的，典型乙酰-CoA 結(jié)合域同源的乙酰-CoA 結(jié)合位點(diǎn)。MYST 家族的個(gè)別成員還具有其他結(jié)構(gòu)特征，例如chromodomains，PHD 和鋅指[16]。

p300 及其緊密同源CBP（CREB 結(jié)合蛋白）首先被證明是乙酰轉(zhuǎn)移酶的共激活因子。然而，對(duì)重組p300 和CBP 蛋白的進(jìn)一步研究證實(shí)，這些蛋白確實(shí)是HAT，能夠以幾乎沒有特異性的方式強(qiáng)力乙?；兴膫€(gè)核心組蛋白的氨基末端尾巴[17-18]。p300/CBP 代表一類獨(dú)特的乙?；D(zhuǎn)移酶，盡管它可能與其他HAT 密切相關(guān)。序列分析確定了與GNAT 基序A、B 和D 同源性有限的區(qū)域[17]。

TFIID 是TAFII即TATA 結(jié)合蛋白(TBP)相關(guān)因子的亞基之一，是組裝RNA 聚合酶II 轉(zhuǎn)錄預(yù)起始復(fù)合物所需的因子之一[19]。研究表明，人類的TFIID-TAFII250 的同系物，果蠅的TAFII230 的同系物，釀酒酵母中的TAFII145/130 的同系物在體外具有HAT 活性[20]。發(fā)現(xiàn)重組果蠅TAFII230的HAT 活性，其可乙酰化組蛋白H3（優(yōu)先在K14 上，如GCN5）和H4。像GCN5 和p300/CBP 一樣，TAFII250 也有一個(gè)bromodomain（果蠅TAFII230 有兩個(gè)），但是該結(jié)構(gòu)域不是其HAT 活性必需的[20- 21]。

在釀酒酵母(S.cerevisiae)中，已發(fā)現(xiàn)并鑒定了幾種HAT復(fù)合物，例如SAGA和ADA復(fù)合物[22]。這些復(fù)合物其中之一還含一些Spt 蛋白，被稱為SAGA(Spt-Ada-Gcn5-acetyltransferase)[23]。

盡管HAT 復(fù)合物已在動(dòng)物和酵母中鑒定，但對(duì)植物中的復(fù)合物知之甚少。盡管如此，基因組分析表明擬南芥基因組編碼與酵母ADA2 同源的兩個(gè)ADA2 蛋白（ADA2a 和ADA2b）。在不同的植物中也鑒定出越來越多的HAT，例如擬南芥具有 12 個(gè) HAT 蛋白[13]。水稻中具有8 個(gè)HAT 蛋白[24]。大麥(Hordeum vulgare)具有3 個(gè)HAT 同源基因[25]。在葡萄(Vitis vinifera)[26]、番茄(Solanum lycopersicum)[27]和玉米(Zea mays)[28]中也有HAT 被鑒定出來。

2 組蛋白乙?；谥参锇l(fā)育過程中的作用

種子發(fā)育是被子植物生命周期中的關(guān)鍵過程[29]。在擬南芥中，兩個(gè)MYST 家族組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶 HAM1 和HAM2 的功能喪失會(huì)導(dǎo)致雄配子體和雌配子體產(chǎn)生嚴(yán)重缺陷[30]。在水稻中，OsflHAT1編碼GNAT-like H4 乙酰基轉(zhuǎn)移酶，能提高谷物的質(zhì)量、產(chǎn)量和植物生物量[31]，揭示了OsflHAT1 在種子發(fā)育中的作用。在玉米中，ZmGCN5 與銜接蛋白ZmADA2 和bZIP 轉(zhuǎn)錄因子ZmO2 相互作用，以促進(jìn)種子成熟過程中的胚乳發(fā)育[32]。綜上所述，組蛋白乙酰化在調(diào)節(jié)高等植物的種子發(fā)育中起關(guān)鍵作用。

從發(fā)芽到開花的整個(gè)生命周期中，光調(diào)節(jié)的基因表達(dá)已成為研究植物轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)機(jī)制的范例[33]。光信號(hào)由感光器感知，以調(diào)節(jié)基因表達(dá)和植物生長。有證據(jù)表明，組蛋白乙?；揎梾⑴c了光響應(yīng)基因的表達(dá)。例如，豌豆(Pisum sativum)質(zhì)體藍(lán)蛋白基因PetE的光調(diào)節(jié)表達(dá)與組蛋白H3 和H4 的乙?；绕湎嚓P(guān)[34-35]。在玉米中，光會(huì)特異性地增加C4 特異性磷酸單磷酸丙酮酸羧化酶(C4-PEPC)的啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄區(qū)中組蛋白H4K5 和H3K9 的乙?；?，表明組蛋白乙?；谥参镏泄忭憫?yīng)基因的活化中起重要作用[36]。在擬南芥中，光響應(yīng)基因的組蛋白H3K9 的乙?；艿焦庹照{(diào)節(jié)[37]。研究表明，光合作用基因的激活與組蛋白H3K9 和H3K27 標(biāo)記對(duì)光響應(yīng)的乙?；膭?dòng)態(tài)變化有關(guān)[38]。擬南芥GCN5和HAF2的突變導(dǎo)致光響應(yīng)基因表達(dá)降低，而HDA19的突變則誘導(dǎo)相反的作用[39- 40]。對(duì)GCN5 靶標(biāo)的全基因組分析結(jié)果顯示，早期的光響應(yīng)基因的表達(dá)需要GCN5[41]。

擬南芥中hdac和hdt突變體的表型和遺傳分析表明，組蛋白乙?；诠庹{(diào)節(jié)發(fā)育過程中起作用。擬南芥幼苗中HDA19基因的功能喪失導(dǎo)致短胚軸表型，而GCN5基因的突變在紅光、遠(yuǎn)紅光和藍(lán)光條件下誘導(dǎo)相反的表型，這表明在光形態(tài)發(fā)生中，HDAC 和HAT 成員可能拮抗調(diào)節(jié)胚軸的伸長[40]。此外有研究表明，在明暗切換過程中需要HDA19 通過降低組蛋白H3K9 和H3K14的乙?；絹硪种芇HYA[42]，表明HDA19 可能通過直接抑制植物色素的轉(zhuǎn)錄來調(diào)節(jié)下胚軸的生長。

植物已經(jīng)進(jìn)化出在黑暗中調(diào)節(jié)葉綠素生物合成水平的有效機(jī)制。植物色素相互作用因子3(PIF3)是抑制多種植物色素下游的黃化幼苗中葉綠素生物合成的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子[43]。最近的一項(xiàng)研究表明，HDA15可以抑制葉綠素的生物合成[44]。PIF3 將HDA15 募集到葉綠素生物合成和光合作用基因（例如GUN5、LHCB2.2、PSBQ和PSAE1）的啟動(dòng)子，并通過降低組蛋白H4 乙?；絹硪种七@些基因的轉(zhuǎn)錄[44]。

葉片原基的起始是通過從莖尖分生組織的側(cè)翼募集細(xì)胞來建立的。莖尖中的分生組織活性部分由I 類KNOX基因決定，包括KNAT1、KNAT2和STM[45]。擬南芥中的MYB 型轉(zhuǎn)錄因子ASYMMETRIC LEAVES1(AS1)和LOB 結(jié)構(gòu)域蛋白AS2 介導(dǎo)了KNOX基因的表達(dá)[46]。用HDAC 抑制劑處理as1和as2突變體會(huì)導(dǎo)致背面的絲狀葉片退化，這表明組蛋白去乙?；谌~片發(fā)育過程中可能起作用。此外，hda6 as1雙突變體比hda6和as1單突變體展現(xiàn)出更嚴(yán)重的鋸齒狀葉片和短葉柄表型，表明HDA6 在葉片發(fā)育中也發(fā)揮了作用[47]。研究表明，HDA6和AS1 在控制葉片發(fā)育中相互作用并共抑制KNOX 基因的表達(dá)[47]。這些發(fā)現(xiàn)表明，組蛋白脫乙?；窰D2A、HD2B、HDA6 和HDA19 是擬南芥葉片發(fā)育的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑。

根系對(duì)植物的生長和存活至關(guān)重要，因?yàn)樗谖账趾宛B(yǎng)分方面起重要作用。在擬南芥中，對(duì)hdac突變體的分析表明，HDA18 是通過調(diào)節(jié)一組激酶基因來指導(dǎo)根表皮命運(yùn)的關(guān)鍵成分[48- 49]。最近的一項(xiàng)研究還確定HDA6 能作為根表皮細(xì)胞模式的新調(diào)節(jié)因子[50]。HDA6 改變了ETC1 和GL2 的組蛋白乙?；癄顟B(tài)，從而影響了決定表皮細(xì)胞命運(yùn)的核心轉(zhuǎn)錄因子網(wǎng)絡(luò)的表達(dá)[50]。此外，hda19，gcn5和haf1的突變體也表現(xiàn)出改變的表皮表型[51]。這些發(fā)現(xiàn)表明，組蛋白乙酰化在決定擬南芥根表皮細(xì)胞模式的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中起著不可或缺的作用。

除了在根表皮細(xì)胞分化中發(fā)揮作用外，HDACs/ HAT在初生根伸長中也起著至關(guān)重要的作用。GCN5 上調(diào)了根干細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子PLETHORA1(PLT1)和PLT2 的表達(dá)，對(duì)于根干細(xì)胞的生態(tài)位維持至關(guān)重要。用HDAC 抑制劑丁酸鈉和TSA 處理可顯著抑制初生根伸長和PIN1 蛋白降解，表明HDAC 在初生根發(fā)育中的作用。此外，水稻中過表達(dá)OsHDAC1 通過使組蛋白H3 和H4 上的多個(gè)賴氨酸殘基脫乙?；档蚈sNAC6的表達(dá)，并產(chǎn)生較長根長的表型[52]。

在被子植物生命周期中，從營養(yǎng)期過渡到生殖期的時(shí)機(jī)是生殖成功的關(guān)鍵。FLOWERING LOCUS C(FLC)是開花的關(guān)鍵負(fù)調(diào)控因子[53]，而FLOWERING LOCUS T(FT)是促進(jìn)開花的成花素的關(guān)鍵成分[54]。HDA6 直接與組蛋白去甲基化酶FLD 相互作用，并通過組蛋白脫乙酰化和去甲基化抑制FLC和另外兩個(gè)MADS-box基因的表達(dá)，MADS AFFECTING FLOWERING 4(MAF4)和MAF5[55]。與hda6 突變體類似，hda6 突變體也有晚開花表型[56]，這是因?yàn)镠DA5、HDA6、FLD和FVE 存在于同一蛋白復(fù)合物中，通過組蛋白去乙?；虷3K4 去甲基化來抑制FLC的表達(dá)。然而，hda9突變體在短日照條件下表現(xiàn)出早期開花表型[57]。HDA9 通過組蛋白去乙酰化直接抑制FT上游激活子AGOMOUS-LIKE 19(AGL19)的表達(dá)，表明組蛋白乙?；蛎撘阴；诨ㄆ谡{(diào)控中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

3 組蛋白乙?；谥参飸?yīng)答環(huán)境脅迫反應(yīng)中的作用

植物在其生命周期中會(huì)受到各種環(huán)境因素的刺激，在這些刺激下，介導(dǎo)基因表達(dá)變化的一個(gè)重要機(jī)制是包括組蛋白乙酰化在內(nèi)的核小體組蛋白翻譯后修飾[58]。組蛋白修飾可通過形成表觀遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)來應(yīng)答環(huán)境脅迫反應(yīng)[58]。組蛋白乙?；瘏⑴c植物生長發(fā)育過程中的溫度調(diào)節(jié)。在水稻中，冷脅迫會(huì)抑制OsHAC701、OsHAC703、OsHAC704和OsHAG703的表達(dá)[24]。在玉米中，冷處理高度誘導(dǎo)HDACs 的表達(dá)，導(dǎo)致組蛋白H3和H4 的整體去乙?；痆59]。在擬南芥中，ADA2b是一種轉(zhuǎn)錄輔激活因子，已被證明與GCN5 和冷誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子CBF1(C-repeat/DRE-binding factors)[60]在冷脅迫期間調(diào)節(jié)cold-regulated 即COR基因表達(dá)[61-62]。HDA6 調(diào)節(jié)了幾種冷應(yīng)激誘導(dǎo)基因的表達(dá)，并在調(diào)節(jié)冷適應(yīng)過程中起著關(guān)鍵作用。經(jīng)過冷馴化后，與野生型植物相比，hda6突變株表現(xiàn)出較低的抗凍性[63]。這些結(jié)果表明，植物冷馴化過程受HDA6 介導(dǎo)的組蛋白脫乙酰化調(diào)控。

組蛋白乙?；部蓞⑴c植物對(duì)其他非生物脅迫的反應(yīng)。gcn5突變體對(duì)ABA 表現(xiàn)出高度的敏感性，說明擬南芥GCN5 是植物適應(yīng)ABA 介導(dǎo)的脅迫所必需的[64-65]。GCN5 也能與磷酸酶2C蛋白(AtPP2C-6-6)相互作用，gcn5突變體中逆境誘導(dǎo)基因的表達(dá)量出現(xiàn)上調(diào)[66]。SGF29a基因（GCN5 的一個(gè)亞基）的缺失導(dǎo)致其產(chǎn)生對(duì)鹽脅迫耐受的表型[67]。ada2b功能缺失突變體中H3和H4 的乙?；浇档蚚67]。

在水稻中，OsHAC701、OsHAC703、OsHAG702、OsHAG703和OsHAM701的轉(zhuǎn)錄水平受ABA誘導(dǎo)上調(diào)[24]。干旱也能誘導(dǎo)OsHAC703、OsHAG703、OsHAM701和OsHAF701的表達(dá)[68]。在大麥中，3種HvGNAT 基因（HvMYST、HvELP3和HvGCN5）的表達(dá)都能受ABA 誘導(dǎo)[25]。在玉米中，NaCl 處理后ZmHATB和ZmGCN5的表達(dá)量增加，同時(shí)組蛋白H3K9 和H4K5 的乙?；皆黾覽69]。這些結(jié)果表明HAT 在植物激素和應(yīng)答非生物脅迫反應(yīng)中發(fā)揮著重要作用。擬南芥中HD2A、HD2B、HD2C和HD2D的表達(dá)受到鹽脅迫和ABA 的抑制[70-71]。ABA 和鹽脅迫可使非生物脅迫響應(yīng)基因的H3K9K14 乙?；虷3K4 三甲基化水平增加，但H3K9 二甲基化水水平減少[72]。HDA19 通過與AtERF7 和AtSin3 形成轉(zhuǎn)錄抑制復(fù)合物來調(diào)節(jié)ABA 和干旱響應(yīng)基因，從而調(diào)控非生物脅迫響應(yīng)基因[73]。

在水稻中，鹽處理誘導(dǎo)OsHAC701、OsHAC703、OsHAC704和OsHAG703的表達(dá)[24]。然而，鹽和PEG處理抑制了HD2型HDACOsHDT701在水稻中的表達(dá)[74]。在過表達(dá)OsHDT701的水稻中，降低了種子萌發(fā)過程中對(duì)鹽和滲透脅迫抗性，這與組蛋白H4 乙?；瘻p少和GA 生物合成基因表達(dá)下調(diào)有關(guān)[74]。OsSRT1[編碼nicotinamide adenine dinucleotide(NAD+)-依賴的HDAC] 的沉默導(dǎo)致許多與應(yīng)激和代謝相關(guān)的基因的H3K9 乙酰化水平相對(duì)較高[75]。在玉米中，甘露醇處理后，通過增加Dehydration-Responsive Element Binding Protein 2A(ZmDREB2A)基因啟動(dòng)子區(qū)域的組蛋白H3K9 和H4K5 乙酰化修飾的富集，顯著誘導(dǎo)ZmDREB2A的表達(dá)[76]。在野大豆(Glycine soja)中，MYST 家族組HAT 成員GsMYST1 在植物應(yīng)答鹽脅迫中發(fā)揮重要作用（暫未發(fā)表）。在毛果楊(Populus trichocarpa)中，干旱脅迫條件下，PtAREB1 轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)受到誘導(dǎo)，AREB1與ADA2b-GCN5 組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物能夠相互作用，并通過與ABRE 基序結(jié)合將蛋白質(zhì)招募到PtrNAC006、PtrNAC007和PtrNAC120基因，從而增強(qiáng)H3K9ac 和RNA Pol II 富集，以激活PtrNAC006、PtrNAC007和PtrNAC120基因的表達(dá)[77]。

4 展望

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，調(diào)節(jié)多種生命活動(dòng)，進(jìn)而在植物的生長、發(fā)育和脅迫反應(yīng)過程中發(fā)揮重要作用。然而我們對(duì)組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶相互作用的蛋白的鑒定還較少，還不能較深入了解組蛋白乙?；诟鞣N生物過程中的作用機(jī)制，尤其是在部分農(nóng)作物如大豆(Glycine max)。

因此，我們還需要進(jìn)一步的研究來確定其他的組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶的相互作用蛋白及其在植物中的靶點(diǎn)，這個(gè)過程就需要利用酵母雙雜交篩選cDNA 文庫或者免疫共沉淀-質(zhì)譜連用等方法來尋找與組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶互作的蛋白。這些互作蛋白通常是轉(zhuǎn)錄因子，其被認(rèn)為是擦除器或書寫器招募者的基本組成部分。因此，轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的模型是迄今為止被廣泛接受的模型。而對(duì)于與組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶互作的轉(zhuǎn)錄因子的深度研究就需要利用ChIP-seq(染色質(zhì)免疫共沉淀-測序)在基因組中廣泛尋找靶標(biāo)，然而對(duì)有些植物而言添加標(biāo)簽構(gòu)建穩(wěn)定的過表達(dá)株系較困難，可以嘗試?yán)迷|(zhì)體瞬時(shí)轉(zhuǎn)染技術(shù)，將該基因在原生質(zhì)體中瞬時(shí)表達(dá)后，進(jìn)而進(jìn)行ChIP。而后利用ChIP-qPCR 探討乙?；揎椩诎谢蛏系姆植?，進(jìn)而獲得組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物，這也有助于揭示植物組蛋白乙?；閷?dǎo)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控的分子機(jī)制。

對(duì)組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶活性的研究現(xiàn)在也有所欠缺，可以探討某些蛋白激酶是否能磷酸化組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶進(jìn)而激活其功能。

由于表觀遺傳因子往往與多種蛋白質(zhì)形成復(fù)合物，并通過不同的表觀遺傳標(biāo)記調(diào)控不同的生物過程，當(dāng)表觀遺傳因子的酶活性受到抑制時(shí)，可以觀察到多效性效應(yīng)。比如相關(guān)化合物的使用，如組蛋白去乙酰化酶(HDAC)抑制劑，可以作為抑制表觀遺傳元件活性引起的多效性效應(yīng)，并選擇性地提高對(duì)非生物脅迫的耐受性的潛在方法。