Cell Research丨“异”曲同工之妙—李海涛/孙前文/李丕龙合作组首次完整发现植物中特有的异染质蛋白

责编丨迦溆

HP1（Heterochromatin Protein 1）是动物中介导异染色质形成和异染色质功能的重要蛋白，其含有一个chromo结构域识别H3K9me3修饰和一个chromoshadow结构域介导自身的二聚和同其他蛋白的相互作用。令人诧异的是，在动物中如此保守的蛋白在拟南芥中是不保守的。在拟南芥中HP1的同源蛋白LHP1（Like Heterochromatin Protein 1 ）识别H3K27me3而不是H3K9me2【1,2】 （Zhang et al., NSMB， 2007, Tuick et al., PLoS Genet, 2007）。为了寻找植物中发挥HP1功能的组蛋白阅读器，清华大学李海涛课题组及合作者相继开发了基于SPRi的高通量筛选体系（李海涛组等合作开发新技术用于高通量表观遗传互作筛选）【3】（Zhao et al., PNAS, 2017）并对拟南芥中潜在的阅读器结构域进行了系统性的鉴定【4】（Zhao et al., Cell Rep, 2018）。那么拟南芥中是否真正的存在与动物中的HP1有着高度相似性的识别H3K9甲基化的蛋白呢？

2018年11月13日，清华大学医学院李海涛课题组与生科院孙前文课题组、李丕龙课题组合作在Cell Research杂志发表了题为Plant HP1 protein ADCP1 links multivalent H3K9 methylation readout to heterochromatin formation的研究成果，首次报道了拟南芥中一类全新的组蛋白修饰阅读器Agenet结构域识别H3K9me2的结构功能机制及其介导的异染色质相分离现象。

在最新的研究结果中，研究人员发现了一类全新的、植物特有的Agenet结构域蛋白ADCP1 （Agenet Domain Containing Protein 1）并发现其对于组蛋白识别的识别性质、结构基础、功能调控和相分离行为都与动物中的HP1有着高度的相似性。

ADCP1本身是一个含有多Agenet结构域串联的蛋白（上图）。通过ITC实验研究人员确定了ADCP1的三个串联Agenet结构域都是位点特异性的H3K9me2修饰的阅读器并且可以被H3S10ph修饰破坏结合（这一特性与哺乳动物中的HP1蛋白具有高度的相似性【5】）。

接着通过解析ADCP1同组蛋白修饰的晶体结构，研究人员阐明了其识别H3K9me2的结构基础并进行了突变体实验分析。在解析的复合物晶体结构中，ADCP1的串联Agenet结构域展现出一种独特的蛋白整体折叠模式和组蛋白多肽结合模式。对于ADCP1串联Agenet结构域的蛋白整体折叠模式来说，两个串联的Agenet结构域以“头碰头”的方式堆积在一起（下图）。

有意思的是，蛋白最N末端的一个α螺旋、最C末端的两个β折叠片和两个Agenet结构域中间的一段脯氨酸富集的loop形成了一个完整的疏水内核，并将串联Agenet结构域呈递出去。组蛋白多肽则结合在了同这个疏水内核相反的一个表面并被诱导形成了一段α螺旋。这段组蛋白多肽形成的α螺旋结合在了两个Agenet结构域相接触的罅缝处，H3K9me2则插入了第二个Agenet结构域的芳香笼中。组蛋白H3R2和K4通过盐桥和氢键被ADCP1所识别，由于K9和K27保守的“ARKS”基序都未参与识别，因此ADCP对于K27位点完全没有结合力，这些相互作用因此决定了ADCP1对于H3K9me位点特异性的识别。

ADCP1与异染色质H3K9me2高度共定位

在接下来的工作中，研究人员用免疫荧光染色和ChIP-seq实验在植物体内证实了ADCP1与异染色质H3K9me2高度共定位（上图）。ADCP1富集在着丝粒附近区域，偏好富集于较长的转座子（>4kb），尤其是逆转座子LTRGypsy。 随后，通过观察adcp1突变体以及瞬时超表达ADCP1的原生质体的细胞核染色中心凝聚状态，研究人员发现ADCP1对异染色质染色中心的形成至关重要，它的缺失或者过量表达都会造成染色中心的解聚，并且ADCP1参与异染色质形成过程是依赖于对H3K9me2识别的功能。进一步的研究发现adcp1突变体中的H3K9me2以及CHG/CHH甲基化水平显著下降，并且激活了一些转座子的表达。综上所述，研究人员在拟南芥中发现了H3K9me2的识别蛋白ADCP1是异染色质功能蛋白，对于维持H3K9me2和CHG/CHH甲基化和转座子沉默是必不可少的。

ADCP1多价态的结构域构成及其在结构和功能上同HP1的相似性暗示其可能具有介导异染色质相分离的功能。相分离现象是生物体内观察到的一类重要的生物物理现象，在诸多重要的生物学事件中都有观测到相分离现象（学者笔谈丨漫谈“相分离”）。对于相分离现象的发生，多价态识别是其重要的物理化学基础，也就是说相互作用的生物大分子间存在多重的分子内或分子间相互作用。由于带有修饰的核小体串是天然的多价态分子，而组蛋白修饰阅读器也可以以高价态的状态存在，因此染色质很可能在体内发生相分离的现象。近期在果蝇细胞和哺乳细胞中都有观测到异染色质发生相分离的现象，而HP1这一蛋白在该过程中发挥了重要的作用 【6,7】（Larson et al., Nature, 2017; Strom et al., Nature, 2017）。在这项研究中，ADCP1被发现具有自分相的能力和介导多聚核小体串相分离的能力。研究人员还进一步证明这种相分离现象的发生是H3K9me2修饰依赖的并且会被H3S10ph修饰所破坏。

总体而言，ADCP1表现出很多同动物HP1的相似之处：它们都是“皇室家族”结构域成员（ “Royal Family” proteins, 包含 Chromo, Tudor, PWWP, MBT and Agenet domains）、都识别H3K9me修饰而不识别H3K27me3修饰、H3S10ph都会破坏结合、都通过芳香笼识别赖氨酸的甲基化修饰、都具有介导异染色质分相的能力和沉默转座子的功能。因此，研究人员认为ADCP1至少在一定程度上发挥了“拟南芥中的HP1”的功能，对植物异染色质的形成和功能发挥起到了重要作用。

值得一提的是，中科院上海植物生理生态研究所的朱健康/杜嘉木课题组于10月31日在Nature Communations发文报道了同一蛋白的功能和结构机制并将其命名为AGDP1。在该研究中，研究人员解析了萝卜源AGDP1的高分辨率复合物结构并发现AGDP1在介导长转座子沉默、非CG区DNA甲基化及H3K9me2甲基化建立中的作用【8】。两篇文章共同揭示了Agenet结构域作为一类新的组蛋白H3K9me2修饰阅读器在植物表观遗传调控中的重要作用。

据悉，清华大学医学院李海涛教授与生科院孙前文研究员、李丕龙研究员为本文的共同通讯作者。清华大学赵帅博士及博士生程玲玲、郜一飞、张柏超为本文的共同第一作者。清华大学郑向东博士及博士生王亮在本研究的相分离实验部分做出重要贡献。

参考文献：

1、Zhang, X. et al. The Arabidopsis LHP1 protein colocalizes with histone H3 Lys27 trimethylation. Nat. Struct. Mol. Biol. 14, 869–871 (2007).

2、Turck, F. et al. Arabidopsis TFL2/LHP1 specifically associates with genes marked by trimethylation of histone H3 lysine 27. PLoS Genet 3, e86 (2007).

3、Zhao, S. et al. Kinetic and high-throughput profiling of epigenetic interactions by 3D-carbene chip-based surface plasmon resonance imaging technology. P Natl. Acad. Sci. USA 114, E7245–E7254 (2017).

4、Zhao, S., Zhang, B. C., Yang, M., Zhu, J. S. & Li, H. T. Systematic Profiling of Histone Readers in Arabidopsis thaliana. Cell Rep. 22, 1090–1102 (2018).

5、Hirota, T., Lipp, J. J., Toh, B. H. & Peters, J. M. Histone H3 serine 10 phosphorylation by Aurora B causes HP1 dissociation from heterochromatin. Nature 438, 1176–1180 (2005).

6、Larson, A. G. et al. Liquid droplet formation by HP1alpha suggests a role for phase separation in heterochromatin. Nature 547, 236–240 (2017).

7、Strom, A. R. et al. Phase separation drives heterochromatin domain formation. Nature 547, 241–245 (2017).

8、Zhang, C., Du, X., Tang, K., Yang, Z., Pan, L., Zhu, P., ... & Zhu, J. (2018). Arabidopsis AGDP1 links H3K9me2 to DNA methylation in heterochromatin. Nature communications, 9(1), 4547.

BioArt，一心关注生命科学，只为分享更多有种、有趣、有料的信息。关注请长按上方二维码。投稿、合作、转载授权事宜请联系微信ID：fullbellies 或邮箱：[e-mail]