多梳蛋白復(fù)合體PRC2調(diào)控水稻發(fā)育的研究進(jìn)展

趙靖澤， 楊紅春

(武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 雜交水稻國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

真核生物的DNA纏繞在組蛋白八聚體上形成核小體，核小體是染色質(zhì)的基本組成單位。細(xì)胞核中，染色質(zhì)進(jìn)一步組裝、折疊形成染色質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)，這種致密結(jié)構(gòu)阻礙了DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄等過程。在長期的進(jìn)化過程中，生物體內(nèi)形成多種蛋白復(fù)合體，能夠在組蛋白上引入甲基化、乙?；头核鼗裙矁r(jià)修飾，招募染色質(zhì)重塑復(fù)合體，改變?nèi)旧|(zhì)的可及性，實(shí)現(xiàn)基因轉(zhuǎn)錄的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。這種調(diào)控方式不依賴于核苷酸序列的改變，所產(chǎn)生的影響在一定條件下可以通過細(xì)胞分裂和DNA復(fù)制遺傳到子細(xì)胞，稱之為表觀遺傳調(diào)控。

多梳蛋白復(fù)合體PRC2最先在果蠅中發(fā)現(xiàn)，是表觀調(diào)控的重要組分。PRC2通過催化組蛋白H3第27位賴氨酸的三甲基化抑制基因的表達(dá)。PRC2由4個(gè)核心組分構(gòu)成，分別是E(z)(enhancer of zeste)、Su(z)12(suppressor of zeste 12)、ESC(extra sex combs)以及Nurf55(nucleosome remodeling factor 55)[1]。其中，E(z)具有甲基轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域[2]，Su(z)12與ESC亞基可以提高E(z)的甲基轉(zhuǎn)移酶活性，PRC2的甲基轉(zhuǎn)移酶活性依賴于E(z)、Su(z)12和ESC，三者缺一不可[3]。E(z)與核小體的結(jié)合依賴于Su(z)12和Nurf55的功能[3-4]。PRC2組分在植物中高度保守，模式植物擬南芥中，相關(guān)研究已經(jīng)比較充分。近年來，水稻中PRC2組分及其功能的研究也有一定的進(jìn)展。

1 擬南芥PRC2組成及功能概述

擬南芥具有果蠅PRC2各組分的同源蛋白，包括E(z)同源蛋白MEA(MEDEA)、CLF(curly leaf)和SWN(swinger)[5-7]，Su(z)12同源蛋白FIS2(fertilization independent seed 2)、VRN2(vernalization 2)和EMF2(embryonic flower 2)[8]，ESC同源蛋白FIE(fertilization independent endosperm)[9]以及Nurf55同源蛋白MSI1(multicopy suppressor of Ira 1)[10]。目前，擬南芥中發(fā)現(xiàn)了3種不同形式的PRC2復(fù)合體，在發(fā)育過程中發(fā)揮著不同的功能，其中，F(xiàn)IS-PRC2由MEA、FIS2、FIE和MSI1組成，調(diào)控胚乳發(fā)育[9-12]；VRN-PRC2復(fù)合體包含SWN/CLF、VRN2、FIE和MSI1，通過抑制FLC的表達(dá)促進(jìn)植物開花[13-15]；EMF2-PRC2復(fù)合體也由4個(gè)蛋白組成，分別是CLF、EMF2、FIE和MSI1，調(diào)控植物莖的發(fā)育和開花等發(fā)育過程[8,16]。此外，F(xiàn)IE也能調(diào)控葉片的發(fā)育[17]。

2 水稻PRC2組成及功能概述

水稻是全球最重要的糧食作物之一，產(chǎn)量關(guān)系到世界一半人口的吃飯問題。水稻的產(chǎn)量與自身的生長發(fā)育狀態(tài)息息相關(guān)，因此，研究水稻生長發(fā)育的調(diào)控機(jī)制，對(duì)培育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)水稻具有重要意義。研究表明，PRC2在水稻整個(gè)生長發(fā)育過程中扮演重要的角色。水稻中有6個(gè)PRC2組分的同源蛋白，分別是ESC同源蛋白OsFIE1和OsFIE2，Su(z)12同源蛋白OsEMF2a和OsEMF2b，以及E(z)同源蛋白OsCLF和OsSET1。這些組分在水稻發(fā)育的各階段發(fā)揮著重要的調(diào)控作用，調(diào)節(jié)水稻的株高、育性以及種子發(fā)育等生物學(xué)進(jìn)程。

2.1 OsFIE1和OsFIE2

水稻中PRC2的組分OsFIE1與OsFIE2是ESC的同源蛋白，二者具有72%的氨基酸序列相似性[18]，然而二者在表達(dá)模式與表達(dá)量上有著明顯的區(qū)別。其中，OsFIE1在胚乳中特異表達(dá)并富集于內(nèi)種皮，OsFIE2在水稻各組織中均有表達(dá)。胚乳中，OsFIE1的表達(dá)量僅為OsFIE2的4%[19]。

OsFIE1和OsFIE2通過調(diào)控水稻種子貯藏物質(zhì)合成代謝相關(guān)基因的表達(dá)，影響水稻胚乳中貯藏物質(zhì)的合成，進(jìn)而調(diào)控種子發(fā)育。與野生型相比，OsFIE1的T-DNA突變體種子更小且質(zhì)量減輕。OsFIE1表達(dá)量降低導(dǎo)致種子中貯藏蛋白含量降低，谷蛋白合成基因GluA1(glutamate A1)、GPA1(glutelin precursor accumulation 1)和脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因LTPL82(lipid transfer protein-like 82)、LTPL83表達(dá)水平降低[20]。OsFIE2-RNAi株系和OsFIE1突變體具有相似的表型，表達(dá)量下調(diào)程度較輕的株系表現(xiàn)為飽滿種子數(shù)量減少，千粒重減輕；表達(dá)量下調(diào)較多的株系無法產(chǎn)生可育后代。進(jìn)一步研究表明，OsFIE2表達(dá)量降低同樣導(dǎo)致種子中醇溶谷蛋白含量減少，GluA1表達(dá)下調(diào)。此外，種子中淀粉含量減少，編碼淀粉合成限速酶的基因AGPS2b(ADP-glucose pyrophosphorylase small subunit 2b)表達(dá)水平降低[19]。生化研究表明，OsFIE1與E(z)同源蛋白OsCLF和OsSET1直接互作，形成OsFIE1-PRC2復(fù)合體；OsFIE2與OsSET1、OsCLF和OsEMF2b形成OsFIE2-PRC2復(fù)合體[19-20]。這些研究暗示水稻受精后，OsFIE1-PRC2和OsFIE2-RPC2可能通過各自的直接靶標(biāo)基因影響貯藏物質(zhì)合成代謝相關(guān)基因的表達(dá)，間接調(diào)控種子中包括蛋白質(zhì)和淀粉在內(nèi)的貯藏物質(zhì)的積累。目前這兩種PRC2復(fù)合體的具體組分、功能發(fā)揮的機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。

OsFIE1和OsFIE2在調(diào)控水稻種子發(fā)育方面的功能并不完全相同。OsFIE1-RNAi株系表現(xiàn)為種子發(fā)育延遲，而OsFIE2-RNAi株系的種子存在休眠缺失，提前萌發(fā)的現(xiàn)象[21]。OsFIE2表達(dá)水平的降低除了導(dǎo)致種子飽滿度的下降，還會(huì)降低植株的育性。OsFIE2-RNAi株系的花粉數(shù)量減少且多數(shù)花粉不育，正常受精的子房在后續(xù)的發(fā)育過程中，部分不能發(fā)育成胚或胚發(fā)育停滯于球形期[22]。

OsFIE2在水稻的營養(yǎng)生長階段也發(fā)揮著重要作用。在葉片發(fā)育過程中，OsFIE2特異性調(diào)控維管束的發(fā)育，當(dāng)OsFIE2表達(dá)水平降低時(shí)，維管束細(xì)胞過度生長、維管束不均等發(fā)育，植株葉鞘卷曲[22]。在水稻的根發(fā)育方面，OsFIE2-RNAi株系表現(xiàn)為初生根伸長生長提前終止、側(cè)根過度生長。在根尖分生組織處，QHB(quiescent-center-specific-homeobox)的表達(dá)量低于野生型植株[22]。QHB是一個(gè)水稻W(wǎng)US類基因，在根尖特異性表達(dá)，維持根尖分生組織干細(xì)胞狀態(tài)[23]。

2.2 OsEMF2a和OsEMF2b

EMF2是PRC2組分Su(z)12的同源蛋白，在二倍體禾本科植物中高度保守。水稻中有兩個(gè)EMF2的同源蛋白：OsEMF2a和OsEMF2b，都具有組成型表達(dá)的模式[24]。

OsEMF2a在水稻受精后表達(dá)豐度增高，調(diào)控種子發(fā)育。osemf2a有胚發(fā)育停滯、種子內(nèi)貯藏物質(zhì)合成缺陷和胚乳細(xì)胞化進(jìn)程延遲的表型，最終導(dǎo)致育性完全喪失。osemf2a胚的發(fā)育多數(shù)停滯在球形期，能夠繼續(xù)發(fā)育的胚會(huì)因?yàn)榕呷榘l(fā)育異常而喪失活力。osemf2a的胚乳中糖類含量增加，蛋白和淀粉的含量顯著減少，呈膠狀而非乳狀或糊粉狀。并且突變體的穎花中細(xì)胞分裂素過量積累，導(dǎo)致細(xì)胞周期異?；钴S，胚乳細(xì)胞化延遲?；虮磉_(dá)分析的結(jié)果表明，AGPS2、AGPL2(ADP-glucose pyrophosphorylase large subunit 2)和OsSSIIa(Oryzasativastarch synthases IIa)等種子淀粉合成關(guān)鍵基因在突變體中表達(dá)量降低；OsLOGL1(Oryzasativalonely guy-like 1)、OsIPT2(Oryzasativaisopentenyltransferase 2)和OsRR5(Oryzasativaresponse regulator 5)等細(xì)胞分裂素相關(guān)基因表達(dá)量升高；但這些細(xì)胞分裂素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因的H3K27me3修飾水平并無明顯變化，因此，OsEMF2a可能間接調(diào)控細(xì)胞分裂素的水平[24]。水稻胚乳的發(fā)育還受到印記基因的調(diào)控，父母本基因組所占比例也會(huì)影響胚乳的細(xì)胞化進(jìn)程[25]。OsEMF2a是母系表達(dá)的印記基因，突變后導(dǎo)致水稻基因組中印記基因表達(dá)紊亂，影響胚乳的發(fā)育[26]。

OsEMF2b在水稻花發(fā)育方面有重要調(diào)控作用。水稻花發(fā)育E類基因?qū)ǚ稚M織的決定具有重要調(diào)控作用，OsMADS1(OryzasativaMADS-box transcription factor 1)促進(jìn)水稻開花并通過調(diào)控花分生組織細(xì)胞正常分裂分化，維持花器官正常發(fā)育[27-29]；OsMADS34是穗發(fā)育調(diào)控基因，具有促進(jìn)小穗分生組織形成、維持穗分生組織正常發(fā)育等功能[30-31]。在小花的形成過程中，OsMADS1抑制OsMADS34的表達(dá)，促進(jìn)小穗分生組織向小花分生組織的轉(zhuǎn)變[32]。突變體osemf2b中，OsMADS1表達(dá)量降低，OsMADS34表達(dá)量升高，穎花出現(xiàn)內(nèi)外稃過度增殖、漿片形成葉狀結(jié)構(gòu)、心皮發(fā)育異常等花器官發(fā)育畸形的現(xiàn)象。osemf2b花器官命運(yùn)決定缺陷可能與OsMADS1表達(dá)水平降低有關(guān)。同時(shí)在花器官發(fā)育過程中，OsEMF2b通過轉(zhuǎn)錄抑制的方式，影響OsMADS34的時(shí)空表達(dá)。OsEMF2b可能通過直接調(diào)控OsMADS34，控制其他與水稻花分生組織發(fā)育相關(guān)基因的表達(dá)，維持水稻花器官的正常發(fā)育[33]。

此外，突變體osemf2b只有少數(shù)花有雄蕊，且這些雄蕊發(fā)育不成熟或無法產(chǎn)生花粉，導(dǎo)致植株完全不育[33]。OsEMF2b的弱突變體表現(xiàn)出絨氈層不同程度地?cái)U(kuò)大以及小孢子部分不育。突變體中絨氈層細(xì)胞凋亡相關(guān)基因PTC1(persistent tapetal cell 1)表達(dá)水平降低[34-35]；花藥、花粉發(fā)育相關(guān)基因OsEAT1(Oryzasativaeternal tapetum 1)、OsAIP1(Oryzasativaactin-interacting protein 1)和GAMYB(gibberellin regulated MYB)等基因表達(dá)量升高[35]。水稻和大麥具有保守的花粉發(fā)育調(diào)控通路[36]，且大麥中HvGAMYB基因表達(dá)水平上調(diào)導(dǎo)致植株育性降低[37]，暗示這些基因表達(dá)水平的變化可能直接導(dǎo)致了突變體雄性不育的表型。

OsEMF2b還可以調(diào)控水稻種子休眠和幼苗生長。種子中，休眠調(diào)控相關(guān)基因OsVP1(Oryzasativaviviparoua 1)的表達(dá)水平隨OsEMF2b表達(dá)水平的升高而升高，在幼苗中則呈現(xiàn)出相反的表達(dá)趨勢(shì)。通過分析OsVP1轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游H3K27me3和H3K4me3修飾的水平發(fā)現(xiàn)，幼苗和種子中H3K27me3修飾水平都隨OsEMF2b表達(dá)量的升高而升高，但在OsEMF2b過表達(dá)株系的幼苗中，H3K27me3/H3K4me3的比值更高。因此，OsEMF2b可能通過調(diào)節(jié)靶基因H3K27me3修飾和H3K4me3修飾的平衡來調(diào)控靶基因的表達(dá)[38]。

2.3 OsCLF和OsSET1

OsCLF與OsSET1是E(z)的同源蛋白[18]，二者的氨基酸序列具有52.1%的相似度[39]。OsCLF與OsSET1在水稻各組織中均有表達(dá)，OsSET1在葉片中的表達(dá)量明顯高于其他組織，二者在水稻開花相關(guān)的發(fā)育過程中具有重要的調(diào)控作用。

OsCLF與OsSET1分別在長日照和短日照條件下調(diào)控水稻的花期。長日照條件下，OsCLF的表達(dá)水平高于短日照條件，對(duì)水稻開花具有抑制作用。相比于野生型植株，OsCLF過表達(dá)株系中，開花促進(jìn)基因Ehd1(early heading date 1)、Hd3a(heading date 3a)、OsMADS14和OsMADS15表達(dá)量降低，開花抑制基因Hd1(heading date 1)表達(dá)量升高，花期延遲20～25 d；RNAi株系有10～16 d的早花現(xiàn)象。當(dāng)OsSET1表達(dá)水平降低時(shí)，開花促進(jìn)基因Hd3a、OsMADS14和RFT1(rice flowering locus t 1)的表達(dá)量也下調(diào)[40]。OsCLF與OsSET1通過改變這些靶標(biāo)基因染色質(zhì)的H3K27me3修飾水平，調(diào)節(jié)這些基因的表達(dá)，控制開花時(shí)間。長日照條件下，OsCLF在Hd1抑制基因OsLF(Oryzasativalate flowering)和開花促進(jìn)基因Ehd1染色質(zhì)的5′端富集，促進(jìn)H3K27me3的積累，直接抑制OsLF和Ehd1的表達(dá)。H3K4me3是促進(jìn)基因表達(dá)的表觀修飾拮抗H3K27me3對(duì)基因的抑制作用。當(dāng)OsCLF表達(dá)量升高時(shí)，開花抑制基因Hd1的H3K4me3修飾水平升高，OsLF和Ehd1的H3K4me3修飾水平降低。短日照條件下，Hd1促進(jìn)水稻開花，OsLF抑制Hd1表達(dá)。OsSET1表達(dá)水平降低導(dǎo)致OsLF的H3K27me3修飾水平明顯降低，表達(dá)量上調(diào)[40]。

OsCLF還參與調(diào)控水稻穗的發(fā)育。OsCLF表達(dá)量升高，細(xì)胞分裂素降解相關(guān)基因Gn1a/CKX2(grain number 1a/cytokinin oxidase 2)染色質(zhì)的H3K27me3修飾水平上調(diào)，抑制該基因的表達(dá)，使細(xì)胞分裂素在花分生組織中積累，促進(jìn)水稻穗的發(fā)育[41-42]，植株表現(xiàn)為穗初級(jí)分枝以及種子數(shù)增多。JMJ703是H3K4me3的去甲基酶與OsCLF協(xié)同作用，通過調(diào)節(jié)H3K27me3與H3K4me3的水平，參與對(duì)Gn1a/CKX2的表達(dá)調(diào)控[42]。近年來研究發(fā)現(xiàn)，OsCLF通過維持淀粉合成基因OsAGPL3和OsBEI(Oryzasativastarch branching enzyme I)的H3K4me3-H3K27me3平衡以及淀粉酶基因OsSSIIa、OsBmy4(Oryzasativaβ-amylase 4)和OsBmy9的H3K9ac-H3K27me3平衡來維持水稻胚乳的正常發(fā)育[43]。這些研究表明，OsCLF可以通過影響H3K27me3修飾與其他表觀修飾的穩(wěn)態(tài)，調(diào)控靶基因的表達(dá)，進(jìn)而維持水稻的正常發(fā)育。

在水稻的營養(yǎng)生長階段，OsCLF、OsEMF2b和OsFIE2通過介導(dǎo)H3K27me3修飾，調(diào)控激素相關(guān)基因的表達(dá)，調(diào)節(jié)植株內(nèi)源激素水平，參與植株形態(tài)建成。在突變體osemf2b中，GA分解代謝相關(guān)基因OsGA2ox5(OryzasativaGA2 oxidase 5)和OsGA2ox6染色質(zhì)5′端的H3K27me3修飾水平明顯降低，表達(dá)量升高。OsCLF-RNAi與OsFIE2-RNAi株系中，OsCLF和OsFIE2表達(dá)量降低，GA相關(guān)基因的表達(dá)趨勢(shì)與osemf2b相近[44]，導(dǎo)致GA水平下降，植株變矮。

3 研究展望

PRC2對(duì)水稻的調(diào)控作用貫穿水稻的各個(gè)生長發(fā)育階段，是維持水稻正常生長發(fā)育的重要組分。在營養(yǎng)生長階段，OsFIE2調(diào)控水稻根和維管束的發(fā)育，并與OsCLF和OsEMF2b共同調(diào)控水稻的株高。在生殖生長階段，OsCLF與OsSET1分別在長短日照條件下抑制和促進(jìn)水稻的開花。OsEMF2b在維持水稻花器官正常發(fā)育以及調(diào)控植株育性方面具有重要作用。此外，幾乎所有PRC2組分均參與調(diào)控水稻種子貯藏物質(zhì)的合成和代謝。

PRC2通過對(duì)靶基因進(jìn)行H3K27me3修飾，或者維持H3K27me3與其他表觀修飾在靶基因染色質(zhì)的穩(wěn)態(tài)調(diào)控水稻發(fā)育。在發(fā)育過程中，PRC2各組分之間可以組成不同的復(fù)合體發(fā)揮功能，如OsFIE1-PRC2和OsFIE2-PRC2共同調(diào)控種子貯藏物質(zhì)的合成代謝。但在OsFIE1-PRC2復(fù)合體中尚未鑒定到與OsFIE1存在直接相互作用的Su(z)12同源蛋白，Su(z)12組分可能通過與OsFIE1-PRC2復(fù)合體中的其他組分相互作用參與復(fù)合體的形成。

現(xiàn)有的研究成果表明，PRC2在維持水稻正常生長發(fā)育方面發(fā)揮了重要作用，以及PRC2的調(diào)控機(jī)制具有多樣性，但水稻中PRC2的招募機(jī)制仍待進(jìn)一步探索。已有研究表明，PcG(polycomb group)蛋白復(fù)合體與靶基因的結(jié)合需要DNA結(jié)合蛋白的參與。在果蠅中，PcG蛋白可以與特定的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，如GAF(GAGA factor)[45-46]和Pho(pleiohomeotic)[47-48]，結(jié)合靶基因染色質(zhì)，發(fā)揮功能。靶基因染色質(zhì)能夠與PcG蛋白結(jié)合并導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄沉默的序列被稱為PRE元件(polycomb response element)。雖然PRE元件的序列不保守，但轉(zhuǎn)錄因子招募PcG蛋白的機(jī)制是保守的[49]。因此，尋找并研究具有PRC2招募功能的轉(zhuǎn)錄因子，有利于闡明水稻中PRC2調(diào)節(jié)特定發(fā)育過程的機(jī)制，從而更加精準(zhǔn)、全面地解釋PRC2對(duì)水稻發(fā)育的調(diào)控作用。