研究揭示擬南芥組蛋白去甲基化酶JMJ13的結構功能

　　3月21日，《自然-通訊》（Nature Communications）雜志在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所上海植物逆境生物學研究中心杜嘉木研究組、中科院遺傳與發育生物學研究所曹曉風研究組和河北師范大學孫大業研究組合作完成的題為The Arabidopsis H3K27me3 demethylase JUMONJI 13 is a temperature and photoperiod dependent flowering repressor 的研究論文。

　　 組蛋白修飾在植物生長發育過程中發揮著至關重要的作用，它與基因沉默、基因激活、染色體形態建成以及遺傳物質修復等生物學問題密切相關。組蛋白去甲基化酶在組蛋白修飾的動態調控中起著重要作用。之前杜嘉木課題組和曹曉風課題組合作完成了擬南芥H3K4me3去甲基化酶JMJ14的復合物結構和功能，該研究于2018年發表在Plant Cell 雜志上。該研究中，杜嘉木課題組和曹曉風課題組及孫大業課題組繼續合作，首先，通過體內和體外實驗分別證明了JMJ13是H3K27me3位點特異性的組蛋白去甲基化酶。接著通過結構生物學的手段分別解析了JMJ13-AKG復合物和JMJ13-NOG-H3K27me3復合物的晶體結構。JMJ13整體結構包括Jumonji，helical，zinc finger三個結構域，其中zinc finger結構域并非之前預測的C5HC2型鋅指，而是新型的C4HCHC型鋅指結構域。在JMJ13和H3多肽的復合物結構中，N402、E295和Y282通過氫鍵參與識別H3K27me3。D236和D296分別與組蛋白H3的R26和S28形成氫鍵。F179通過堆積作用識別P30，決定了JMJ13識別組蛋白修飾的序列特異性。突變參與多肽識別的關鍵氨基酸，能顯著降低JMJ13的酶活。有趣的是，在序列上JMJ13是KDM4亞家族的成員，而在結構域上JMJ13與KDM5亞家族類似（Jumonji-helical-zinc finger），在功能上JMJ13特異性地識別H3K27me3，與UTX等KDM6亞家族成員類似。

　　 接下來，研究人員開展了JMJ13的功能研究。JMJ13突變體在長日照條件下呈早花表型。有趣的是，在短日照條件下，22℃培養JMJ13突變體無開花表型，而28℃培養突變體有早花表型。進一步遺傳分析表明，JMJ13在FLM/SVP和CO/GI上游發揮功能。因此，H3K27me3去甲基化酶JMJ13通過溫度和光周期途徑抑制開花。

　　河北師范大學教授鄭術芝和逆境中心博士生胡泓淼為論文的共同第一作者。杜嘉木、孫大業和曹曉風是該論文的共同通訊作者。逆境中心質譜平臺為該研究提供了幫助。上海同步輻射光源國家蛋白質設施BL19U1（SSRF）為數據收集處理提供了及時有效的支持。該研究工作得到國家自然科學基金委、中科院及植物分子遺傳國家重點實驗室相關經費的資助。