研究揭示植物SUVH6酶催化位點特異H3K9甲基化的分子基礎

　　2022年12月29日，《美國國家科學院院刊》（PNAS）在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心段成國研究組與南方科技大學杜嘉木研究組合作完成的題為Molecular Basis of Locus-specific H3K9 Methylation Catalyzed by SUVH6 in Plants的研究論文。該研究揭示了植物中保守的SUVH6組蛋白甲基轉移酶家族催化位點特異H3K9甲基化的新機制。該機制中，SUVH6家族N端一個未被解析的肽段結構可被染色質調控因子ASI1的BAH結構域特異識別。SUVH6-ASI1模塊控制大多數SUVH6靶點上H3K9me2的沉積，并根據靶位點的位置對基因表達產生不同的調控模式，包括轉錄沉默或轉錄后調控。更重要的是，這種機制及其關鍵的氨基酸位點在植物中保守存在，表明SUVH6和ASI1之間存在共同進化。

　　作為真核生物異染色質的標志物，組蛋白H3K9甲基化在常染色質區域也起到調控作用。模式植物擬南芥中的H3K9me2主要由SUVH4（KYP）、SUVH5和SUVH6共同催化，且與DNA甲基化存在正反饋調節作用以增強該區域的異染色質化。其中，SUHV4是主要的催化酶，SUVH5和SUVH6作為輔助酶存在一定的功能冗余。然而，除了DNA甲基化介導的SUVH招募機制，植物中是否有其他機制更精細地決定SUVH催化的位點特異性尚不清楚。

　　該研究組分別在擬南芥和水稻中通過免疫沉淀質譜分析鑒定到SUVH6的一個互作蛋白ASI1。ASI1是段成國課題組發現的識別H3K9me2并控制RNA加工的AAE（Asi1-Aipp1-Edm2）復合體的一個關鍵組分（Duan et al., 2017；You et al., 2021；Zhang et al., 2021）。經過蛋白截斷互作實驗將互作定位到SUVH6家族蛋白N端一段未報道的保守肽段，生化證據表明該肽段對于SUVH6和ASI1的互作是必須的。段成國研究組與杜嘉木課題組合作，解析了ASI1-BAH結構域與SUVH-N端多肽的高分辨率晶體結構，發現了ASI1-BAH存在一個經典的芳香籠可以通過cation-π相互作用特異性識別SUVH6 N端的精氨酸殘基，且該單個精氨酸殘基對ASI1-SUVH6互作具有決定性作用。染色質免疫沉淀測序（ChIP-seq）分析表明，SUVH6結合的染色質位點絕大部分被ASI1覆蓋，且ASI1與SUVH6在共同靶點上的定位依賴于這種互作，同時，點突回補材料也表明關鍵精氨酸的突變可直接影響SUVH6的染色質定位。H3K9me2 ChIP-seq分析表明ASI1-SUVH6互作模塊促進了靶位點上H3K9me2的沉積，并以位置依賴的方式影響基因的表達：促進轉錄沉默或轉錄后mRNA的全長轉錄本加工。ASI和SUVH6的N端多肽只存在于植物中，并在絕大部分植物中同時表達，暗示了其進化上的一致性。總之，該研究發現了植物中保守存在的一種H3K9me2自我增強正反饋回路。該通路與DNA甲基化介導的SUVH組蛋白甲基轉移酶招募機制相互促進，增強H3K9me2在特定染色質位點的沉積。

　　研究工作得到中科院戰略性先導科技專項、深圳市科技計劃項目和廣東省普通高校植物細胞工廠分子設計重點實驗室等的支持。