生物化学与细胞生物学研究所，血浆检测组蛋白去甲基化酶

染色体浓缩是细胞分裂的先决条件，有丝分裂和减数分裂都需要复制的细长染色体浓缩成杆状染色体，以便它们能够在后期正确分离。相反，有丝分裂中的染色体从前期到中期快速浓缩，而减数分裂包括减数分裂I和II。减数分裂I 是这种细胞分裂方法所特有的，前期I 包括细线期、事件期、粗线期、双线期和末期变态。这个过程主要涉及父母同源染色体之间的配对、联会和重组。为了保证这些核心事件有序进行，染色体浓缩分阶段进行。研究表明，染色体缩合主要由缩合复合物和粘蛋白复合物控制，但缩合复合物在真核减数分裂过程中是如何控制的，以及染色体的阶段如何完成缩合，目前尚不清楚。 2016年，王英祥和马洪团队证明植物减数分裂细胞特异性编码PHD结构域蛋白MMD1，该蛋白通过PHD识别组蛋白H3K4me3直接驱动缩合亚基CAP-D3的表达，从而可能控制减数分裂前期缩合过程。染色体。 （Wang 等人，《植物细胞》）。然而，MMD1调节CAP-D3的具体分子机制仍不清楚。

6月22日，复旦大学生命科学学院王英祥研究员、马金彪研究员和宾夕法尼亚州立大学马宏教授课题组发表了题为《细胞类型研究论文》的论文。 “组蛋白去甲基酶特异性促进拟南芥减数分裂染色体浓缩”揭示了组蛋白去甲基酶的底物特异性以及调节减数分裂细胞染色质浓缩的分子机制。

为了剖析MMD1 介导的减数分裂特异性染色体浓缩过程的调控机制，研究人员于2010 年开始构建和筛选各种MMD1 裂解蛋白文库。 2011 年，他们鉴定了其中一种相互作用子JMJ16，它编码H3K4 组蛋白。去甲基化酶（图1）。研究团队与该领域专家、中国科学院遗传与发育生物学研究所学者曹晓峰合作，证明JMJ16只能在体内和体外去除H3K4me2/3。之前的研究表明，该启动子区域的组蛋白修饰主要促进基因表达，去除它会抑制基因表达，但这并不表明与MMD1的相互作用是由于CAP-D3，这并不能解释促进基因表达的原因。

图1 MMD1和JMJ16蛋白的结构域和相互作用区域

研究人员推测MMD1可能影响JMJ16的酶活性。体内和体外实验均表明MMD1确实控制JMJ16的底物特异性，并且MMD1-JMJ16复合物可以去除肽和核小体上的H3K9me3。那么MMD1是如何调控JMJ16的底物特异性的呢？构建了两种蛋白的不同截短版本，并将MMD1的MMD结构域(植物中定制且保守的)与JMJ16的MMD结构域结合，证实与C相互作用。 -末端FYR-C 结构域（图1）。它可能影响JMJ16 的酶结构域。为了验证这一假设，研究人员表达了一种仅含有JMJ16-N末端催化结构域的截短蛋白，发现JMJ16-N可以同时识别并去除H3K4me3和H3K9me3。此外，我们在体外证明了JMJ16-N与JMJ16的C端FYR-C结构域相互作用，体内FRET实验也证明JMJ16的两端非常接近或直接相互作用。这得到了支持（图2） ）。

图2 JMJ16-N和-C端之间的相互作用以及MMD1对这些相互作用的影响

那么，MMD1是如何影响JMJ16蛋白两端之间的相互作用的呢？体外竞争实验表明MMD1竞争性地结合JMJ16-N的FYR-C结构域，从而体内FRET漂白实验表明MMD1能够拉N域分开。增加JMJ16 末端与C 末端之间的距离可减轻其抑制作用（图2）。上述结果表明，JMJ16的C端结构域可能通过其N端催化结构域抑制H3K9me3的识别，而MMD1与JMJ16的C端竞争结合，并通过锌释放自身抑制作用。可能的。 Finger 结构域(C5HC2)（图3）有助于JMJ16 识别和H3K9me3 去除。

图3 通过荧光偏振鉴定JMJ16酶结构域和含锌指结构域与H3K4me3和H3K9me3的结合强度。

对jmj16减数分裂细胞的转录组测序发现，在叶片中，MMD1主要抑制相关功能基因的表达，而在减数分裂细胞中，MMD1和MMD1协同抑制许多基因的表达，其中包括与染色体浓缩相关的基因。的表达对CAP-D3 等靶基因启动子区域的组蛋白修饰分析表明，虽然H3K4me1/2/3 的变化不显着，但H3K9me3 显着增加。由于动物JMJ16的同源蛋白KDM5/JARID本身含有PHD结构域，研究人员发现JMJ16的定位依赖于MMD1的PHD结构域来识别H3K4me3，并且MMD1的MMD结构域与JMJ16相连。我们推测，它可能会招募并从而影响其底物。最后，靶基因的表达受到调节。为了验证这一假设，研究人员构建了一个mmd1转化的突变体，其中JMJ16的酶结构域与MMD1的PHD结构域融合，并且mmd1的异常染色体浓缩表型被部分发现是有可能恢复的。

图4 JMJ16和MMD1在各种细胞微环境中调节基因表达的模型。

基于上述结论，研究人员提出了JMJ16和MMD1调节体细胞和减数分裂细胞基因表达的模型。在体细胞中，JMJ16的N端和C端相互作用，抑制其识别H3K9me3的能力，仅具有H3K4me3去甲基化活性，从而抑制含有FLC的基因的表达（图4a）。在减数分裂细胞中，MMD1的PHD识别H3K4me3，MMD结构域与JMJ16的FYR-C相互作用，释放其自身C端和N端之间的相互作用，导致JMJ16的H3K9me3去甲基化，扩大活性并促进表达。它确保基因（包括CAP-D3）的准确浓缩，并确保减数分裂染色体的准确浓缩（图4B）。研究结果还首次证明了涉及JmjC结构域的去甲基化酶活性底物特异性调节机制，表明去甲基化酶可以与不同细胞微环境中的不同相互作用因子精确协调，阐明该机制控制相关相关蛋白的表达。基因，这种控制机制可能是普遍的。

王迎祥、马金彪、马洪为该研究的共同通讯作者。复旦大学博士研究生王军和余朝义是本文的共同第一作者。这项研究由中国科学院遗传发育研究所曹晓峰学者和张树斌博士合作完成。该项目得到了国家自然科学杰出青年基金、国家重点基础研究计划、复旦大学基因国家重点研究院的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41477-020-0697-0

资料来源：生命科学学院

编辑：让·丹丁