植物組蛋白去甲基化酶研究進展

湯茜茜 林楚宇 陶增

（浙江大學農業與生物技術學院，杭州 310058）

在真核生物的細胞核中，染色質的轉錄基本單位是核小體，核小體是由大約147 bp的DNA包裹在組蛋白八聚體上形成的。每個組蛋白八聚體分別包含兩個H2A、H2B、H3和H4［1］。位于核小體外的組蛋白氨基（N）端尾部容易受到各種翻譯后修飾（post-translational modification，PTM）的影響，包括組蛋白甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化、SUMO化和ADP-核糖基化等［2-3］。不同位點以及不同的修飾會對轉錄造成不同的影響，例如組蛋白H3K4和H3K36的甲基化與轉錄激活有關，而組蛋白SUMO化，H3K9和H3K27甲基化就與轉錄抑制有關［2］。這些修飾在調控各種染色質活動中發揮關鍵作用，引起染色質狀態變化，影響轉錄調控、染色質重塑、DNA修復和細胞周期等過程［2，4-5］。組蛋白修飾的動態調控已被證明參與植物和動物的生長發育和脅迫響應等生理過程［6-7］。

1 植物組蛋白賴氨酸去甲基化酶的分類及結構特點

組蛋白甲基化是組蛋白最常見也是最復雜的修飾之一，通常發生在賴氨酸（K）和精氨酸（R）殘基的側鏈上。賴氨酸的甲基化修飾可以是單甲基化、二甲基化和三甲基化［2，8］，精氨酸的甲基化修飾可以是單甲基化，對稱或不對稱二甲基化［9-10］。賴氨酸甲基化修飾常見于H3K4、K9、K27、K79和H4K20位點［11］，在動物中，組蛋白H3K4、K36和K79甲基化主要與基因的轉錄激活相關，而H3K9、H3K27 和 H4K20 甲基化則與基因沉默相關［8，12］。類似地，在植物中H3K4和H3K36甲基化與轉錄激活相關，而 H3K9和 H3K27甲基化與異染色質和轉錄抑制相關，說明不同位點以及不同程度的甲基化狀態會導致不同的染色質狀態，進而影響基因的轉錄水平。此外，不同類型的組蛋白甲基化可能存在于同一染色質區域，并相互作用以協調轉錄。同時，組蛋白甲基化是可逆的，甲基化水平受組蛋白賴氨酸甲基轉移酶（lysine methyltransferases，KMTs）和賴氨酸去甲基化酶（lysine demethylases，KDMs）的動態調控［13］。其中，組蛋白賴氨酸去甲基化酶存在兩種類型：賴氨酸特異性去甲基化酶 1（KDM1/LSD1）和含有JmjC（Jumonji C）結構域的組蛋白去甲基化酶（JmjC domain-containing histone demethylases，JHDMs）［14］，JHDMs 又 可 分 為 5 個不 同 的 組， 包 括 KDM4/JHDM3、KDM5/JARID1、JMJD6、KDM3/JHDM2和 僅 JmjC 域 組［14］。 目 前已在擬南芥（Arabidopsis thaliana）和水稻（Oryza sativa）中鑒定出4種LSD1同源物［15］，同時也在擬南芥和水稻中分別鑒定出21個和20個含有Jmj結構域的組蛋白去甲基化酶［14］（表1）。

表1 擬南芥/水稻中賴氨酸去甲基化酶（KDMs）分類Table 1 Classification of KDMs（lysine demethylases）

2 植物組蛋白賴氨酸去甲基化酶調控生長發育

2.1 調控植物開花

在擬南芥中，FLD（FLOWERING LOCUS D）及其同源物LDL1（LSD1-LIKE 1）和LDL2（LSD1-LIKE 2）編碼LSD1類型的組蛋白去甲基化轉移酶，通過影響FLC染色質上組蛋白修飾H3K4me2的沉積從而調控FLC的基因表達并調控花期轉換［15，21］。擬南芥H3K27去甲基化酶ELF6（EARLY FLOWERING 6）和 REF6（RELATIVE OF EARLY FLOWERING 6）也參與植物開花調控，并在開花時間的調控中發揮不同作用，elf6突變植株表現早花，而ref6突變體呈現晚花表型［22］。REF6通過組蛋白修飾抑制FLC轉錄，REF6的突變會導致FLC mRNA 水平升高，但不影響CO的表達水平，說明REF6以FLC依賴性途徑調控植物開花。并且REF6還可以抑制FT、SOC1的表達，從而防止植物早開花［22］。相反，ELF6通過激活FLC的表達，并在對FLC的調控中與JMJ13部分功能冗余［23］。此外 ELF6可以直接結合FT的染色質位點，通過降低其染色質上H3K4的甲基化水平來抑制FT 的轉錄活性，說明ELF6是通過光周期開花途徑調控植物開花。同時，JMJ13在高溫條件下負調控開花，以依賴于溫度和光周期的方式調控花期轉換，但具體的調控機制仍有待探索［24］。在擬南芥中另外兩個H3K27去甲基化酶，JMJ30與JMJ32也可以通過直接結合FLC基因位點，去除H3K27me3修飾，從而抑制開花。即使在溫度升高的條件下，JMJ30的 RNA和蛋白質水平仍保持穩定，防止植物過早開花［25］。

此外，JMJ14編碼H3K4的去甲基化酶，可以通過抑制FT和SOC1的表達影響開花［26-27］，并且JMJ14還可以與轉錄因子NAC050和NAC052互作，共同參與轉錄抑制和開花時間的調控［28］。最新研究表明JMJ14可能是微蛋白抑制復合物miP1a/b的一部分，共同抑制FT表達［29］。而JMJ14的兩個同源基因JMJ15和JMJ18與其作用相反，JMJ15和JMJ18通過減少FLC基因上的H3K4me3來抑制其表達，從而激活FT促進植物開花［30-31］。水稻中的一種H3K4去甲基化酶Se14，可以移除RFT1啟動子區域的H3K4me3修飾來調控水稻的開花［32］。

H3K9的去甲基化酶JMJ27和JMJ28也在被證明參與植物開花調控，jmj27突變體比野生型植物更早開花，表明JMJ27是擬南芥開花的負調控因子，研究表明JMJ27通過直接或間接調控FLC和CO基因位點的H3K9me2修飾抑制開花［33］。JMJ28與FBH（FLOWERING BHLH）轉錄因子相互作用通過移除H3K9me2進而激活CO表達影響開花，并且JMJ28在CO基因位點上的結合依賴FBH［34］。

2.2 調控植物晝夜節律

植物的生物鐘會受到多種環境因素的影響，如光照和溫度，植物體內的生物鐘基因對維持晝夜節律具有重要作用。節律相關基因CCA1（CIRCADIAN C LOCK ASSOCIATED 1）和LHY（LATE ELONGATED HYPOCOTYL）在早晨表達［35-36］，而 TOC1（TIMING OF CAB EXPRESSION 1）在晚上表達［37］，它們之間存在反饋回路來調控晝夜節律［38-39］。CCA1和LHY負調控TOC1的表達，而TOC1可以與CCA1和LHY的啟動子結合并抑制他們的表達［40］，或通過抑制PRR（PSEUDO-RESPONSE REGULATOR）基因間接促進CCA1和LHY的表達［39-40］。研究表明，組蛋白去甲基化在生物節律的調控中同樣起著重要的作用。

JMJ30已被證明在植物和人類晝夜節律系統中發揮重要作用［41］，在擬南芥中，JMJ30與TOC1協同作用促進CCA1和LHY表達，而CCA1/LHY又可以直接與JMJ30啟動子結合抑制其表達［41-42］，表明JMJ30與生物鐘的調控密切相關。最近的研究表明，擬南芥JMJ30與EC（evening complex）組分共同表達，抑制溫度響應基因PRR7的表達［43-44］，并且高溫會促進JMJ30在PRR啟動子區的積累，進一步抑制其表達，以響應溫度變化，實現溫度補償［44］。

組蛋白去甲基化酶LDL1和LDL2可以與組蛋白去乙酰化酶HDA6相互作用形成復合物，被CCA1/LHY招募抑制TOC1表達［45］。進一步研究表明LDL1/2-HDA6復合物還可以與TOC1相互作用，反過來抑制CCA1/LHY的表達［45］。表明LDL1/2-HDA6組蛋白修飾復合物對于調控核心生物鐘很重要。類似地，CCA1/LHY還可以與組蛋白去甲基化酶JMJ14和組蛋白甲基轉移酶SDG2形成反饋關系，通過調控H3K4me3水平來調控基因表達的節律性［46］。此外，另一H3K4去甲基化酶JMJ29也被證明參與晝夜節律調控，JMJ29可以與EC的組分ELF3（EARLY FLOWERING 3）相互作用，EC通過招募JMJ29到CCA1和PRR9啟動子區，催化H3K4me3去甲基化，使其在夜晚保持低水平表達［47］。

2.3 調控種子萌發和幼苗生長

種子休眠和幼苗生長是植物重要的生長發育階段，在調控植物生命周期起著關鍵作用。植物在長期進化中發展了一整套精確的調控機制，以便種子在適宜的環境條件下萌發，同時在不利環境下適應生長，從而完成整個生命周期和世代繁衍［48］。其中，脫落酸（ABA）是種子休眠和幼苗生長過程中的關鍵信號分子，種子的萌發會受到脫落酸的影響。最近的研究表明，組蛋白去甲基化參與了這一重要生理過程［49-51］。

對于本研究兩組患者的手術情況進行觀察比較,統計兩組患者的手術時間、術中出血量,患者的住院時間,并且對兩組患者的并發癥情況進行比較。

組蛋白去甲基化酶LDL1和LDL2可以抑制成熟種子中DOG1、ABA2、ABI3等休眠相關基因的表達水平，通過介導DOG1和脫落酸信號通路參與種子休眠調控［52］。種子萌發后，ABI3可以響應脫落酸來激活JMJ30表達，JMJ30通過結合SnRK2.8（SNF1-related protein kinase 2.8）啟動子，移除H3K27me3修飾，激活SnRK2.8表達。SnRK2.8進一步激活ABI3，形成反饋環［53］。ABI3-JMJ30/32-SnRK2.8反饋環介導了發芽后階段的脫落酸依賴性生長停滯，說明JMJ30和JMJ32是發芽后脫落酸依賴性生長停滯所必需的［53］。此外，JMJ30/32還參與協調擬南芥發芽后階段脫落酸和油菜素內酯（BR）信號通路之間的拮抗作用，種子發芽后脫落酸激活JMJs表達，JMJs去除BZR1（BRASSINAZOLE RESISTANT 1）基因位點的H3K27me3修飾，促進BZR1表達，維持發芽后階段的細胞穩態。同時BR還可以抑制JMJs，影響下游靶基因SnRK2.8表達，從而抑制脫落酸介導的幼苗停滯，說明JMJ30和JMJ32可以通過去除H3K27me3來平衡生長和應激反應［54］。

H3K4去甲基化酶JMJ17也在種子萌發和幼苗生長過程中調控脫落酸響應基因的表達。JMJ17與脫落酸信號傳導的負調控因子WRKY40相互作用，并被WRKY40招募到ABI5啟動子區，去除H3K4me3修飾，抑制ABI5表達，促進種子萌發。JMJ17與WRKY40共同調控靶基因以響應脫落酸，從而調控種子萌發和幼苗生長［55］。

2.4 調控葉片衰老

葉片衰老是葉片發育的最后階段，是植物發育的一個重要組成部分，葉片可以通過這一過程實現營養物質向發育中的種子或其他生長器官遷移［56］。其中，脫綠是葉片衰老的最明顯癥狀，這一過程中大量衰老相關基因（senescence-associated genes，SAGs）會被激活。H3K4me3去甲基化酶JMJ16靶向葉片衰老正調控因子WRKY53和SAG201，通過減少這些基因位點的H3K4me3水平來抑制其表達，從而抑制葉片衰老［57］。

H3K27去甲基化酶REF6也被證明參與葉片衰老的調控，葉片衰老過程中REF6可以和EIN2、ORE1、NAP、NAC3、NTL9、NYE1/2、LOX1、PAD4和PPDK等衰老調控基因結合，催化其啟動子區/編碼區H3K27me3去甲基化來激活基因表達，加速葉綠素降解和葉片老化［58］。

3 植物組蛋白賴氨酸去甲基化酶響應逆境

3.1 參與干旱脅迫響應

干旱是影響植物生長發育的非生物脅迫因子，響應干旱脅迫的基因表達通常受組蛋白翻譯后修飾和DNA甲基化的調控［59］。在植物脫水的情況下，H3K4甲基轉移酶和去甲基化酶會通過拮抗作用來維持生長和脅迫耐受性基因的表達平衡［60］，擬南芥H3K4去甲基化酶JMJ17就被證明參與脫水脅迫響應［61］。正常情況下，JMJ17與脫水脅迫和脫落酸響應基因OST1（OPEN STOMATA 1）結合，去除該基因位點的H3K4me3標記，抑制其表達。植物受到脫水脅迫時，JMJ17活性被抑制，OST1基因上的H3K4me3水平增加，激活基因表達，響應脫落酸誘導的氣孔關閉和脫水脅迫［61］。水稻中的H3K4去甲基化酶OsJMJ703也被證明參與干旱脅迫，過表達OsJMJ703的轉基因水稻對干旱脅迫敏感，而敲除OsJMJ703會增強水稻對干旱脅迫的耐受性，然而具體機制有待進一步研究［62］。

H3K9去甲基化酶JMJ27也參與調控干旱脅迫反應。JMJ27通過調控干旱脅迫的正調控因子GOLS2（GALACTINOL SYNTHASE 2）和RD20（RESPONSE TO DESICCATION 20）基因上的H3K9me2水平，正向調控干旱脅迫反應。正常環境下26S蛋白酶體亞基RPN1a與JMJ27互作，負調控JMJ27的積累。干旱條件下RPN1a豐度降低，促進JMJ27積累，進一步促進JMJ27與GOLS2和RD20結合，激活GOLS2和RD20表達，以響應干旱脅迫［63］。

3.2 參與熱脅迫響應

全球變暖引起的平均溫度升高，對植物的生長發育造成不可逆的損害，熱脅迫會引起植物細胞中蛋白質錯誤折疊和活性氧積累。熱激轉錄因子HSFA2（HEAT SHOCK TRANSCRIPTION FACTOR A2）是特異性參與熱脅迫記憶的重要因子［64］。在環境溫度升高時，HSFA2與熱休克蛋白（heat shock proteins，HSPs）的編碼基因結合，保護細胞蛋白，HSFA2在預防和修復熱脅迫造成的損傷方面起著至關重要的作用，同時還能延長擬南芥獲得性耐熱的持續時間，從而賦予植物在應對后續的類似脅迫中具有更強的抗性［64］。植物進化出復雜的表觀遺傳機制，以適應升高的環境溫度。

高溫會導致特定基因座上H3K4me3和H3K4me2的持續積累［65］。擬南芥JMJ14作為一種H3K4me3去甲基化酶，可以直接靶向一組高溫下調基因，去除H3K4me3標記抑制轉錄，并且高溫會增強JMJ14與靶基因的結合。JMJ14的突變影響植物熱響應激活和抑制程序相關基因的表達，同時JMJ14和胞質異構體（cytosolic isocitrate dehydrogenases，cICDH）的雙突變體cdh-1 jmj14-1表現出對高溫不敏感的表型，說明JMJ14和cICDH協同調控植物對高溫反應的關鍵基因［66］。此外，JMJ14還與JMJ15、JMJ18在植物熱響應過程中存在冗余功能，并且cICHD的突變可能會影響JMJ15和JMJ18 的功能［66］。

H3K27me3去甲基化酶也被證明參與高溫脅迫響應。REF6可以和HSFA2形成一個正反饋環維持植物對高溫的跨代記憶。一方面，HSFA2直接結合并激活REF6和染色質重塑因子BRAHMA（BRM），REF6/BRM 反過來促進HSFA2位點H3K27me3 去甲基化，跨世代維持其轉錄激活狀態，形成可遺傳的轉錄反饋回路。另一方面，HSFA2結合SGIP1（SUPPRESSOR OF GENE SILENCING 3（SGS3）-INTERACTING PROTEIN 1）啟動子，激活SGIP1的表達，進而通過降解SGS3蛋白抑制tasiRNAs的產生，tasiRNAs水平下降會激活其靶標HTT5（HEATINDUCED TAS1 TARGET 5）的表達，HTT5上調導致植物早開花，并且出現抗病性減弱的表型。通過跨世代降解SGS3和激活tasiRNA靶標HTT5確保熱記憶表型傳遞給未受脅迫的后代，促進植物繁殖和后代適應性［67］。

最近的研究還表明H3K27me3去甲基化酶，是擬南芥熱馴化所必需的［68-69］。JMJ30、JMJ32、ELF6和REF6的四突變體jmjq熱馴化后存活率明顯低于野生型，并且HSP基因在熱馴化的jmjq突變體中表達延遲，說明JMJs在HSP基因的快速誘導中起重要作用。進一步研究表明JMJ30蛋白可以直接與HSP22和HSP17.6C基因座結合，通過JMJs的去甲基化酶活性使HSP22和HSP17.6C基因上的H3K27me3標記維持在較低的水平，促使這些基因對之后的熱脅迫更敏感［68］。此外，JMJ30還可以與HSP21基因座結合，調控H3K27me3和H3K4me3水平以響應熱脅迫［69］。

3.3 參與生物脅迫響應

自然界中，植物總會受到各種病原物（如細菌、真菌和病毒等）的侵襲。在長期的進化過程中，為了抵抗病原微生物的侵襲，植物逐漸建立了一系列復雜的防御機制，根據免疫受體類型主要分為兩類，分別是病原體相關分子模式觸發的免疫（pattern-triggered immunity，PTI）和效應器觸發的免疫（effector-triggered immunity，ETI）［70-72］。植物對活體營養型病原菌的抗性主要通過水楊酸（SA）途徑，而對死體營養型菌的防御主要通過茉莉酸/乙烯（JA/ET）途徑［73-74］。PTI和 ETI誘導過程中通常涉及大量基因的轉錄重編程［75］，其中組蛋白甲基化修飾在植物抗病反應過程中有著至關重要的作用［76-77］。

擬南芥受到丁香假單胞菌（Pseudomonas syringae pv.tomato DC3000，Pst DC3000）侵 染 后，JMJ27會被誘導表達，并且jmj27缺失突變體在接種病原菌后會產生更嚴重的發病癥狀，說明JMJ27是植物對丁香假單胞菌抗性所必需的。JMJ27通過抑制負調控防御的WRKY基因的表達，正調控發病相關基因PR1、PR3、PR4和PR5，直接或間接控制抗病相關基因的H3K9甲基化水平來參與擬南芥中對丁香假單胞菌的防御［33］。同時，jmj27突變體還顯示早開花的表型，說明JMJ27在調控病原體防御和開花時間方面具有雙重作用［33］。

除JMJ27之外，H3K4去甲基化酶JMJ14，不僅參與調控擬南芥開花時間、轉錄基因沉默（transcriptional gene silencing，TGS）和轉錄后基因沉默（post-transcriptional gene silencing，PTGS）［28-29，78-79］。最近的研究表明，JMJ14還可以通過影響H3K4me3在PR1、ALD1、FMO1和SNI1等防御相關基因上的沉積，影響基因轉錄本的豐度，調控植物免疫。在非感染條件下，JMJ14負向調控SNI1的表達以維持植物防御系統的敏感性。植物受到病原侵染后，JMJ14增強水楊酸途徑反應，正向調控對Pst DC3000的局部防御，同時JMJ14還正向調控參與Pip生物合成的ALD1和SARD4，促進植物建立系統獲得性抗性（systemic acquired resistance, SAR）。說明JMJ14對于植物基礎免疫和SAR是必需的［80］。

LDL1和LDL2也被證明參與調控植物基礎免疫和SAR的建立，LDL1/2參與H3K4去甲基化，并且在抗病過程中部分功能冗余。LDL1/2通過影響WRKYs、ERFs、PR1和FRK1等防御基因位點的H3K4甲基化水平，使防御基因在植物未感染時維持低表達狀態，保證免疫反應的關閉狀態，保持基因的轉錄敏感性，促使植物在感染病原菌后更好的建立防御反應［81］。

此外H3K9去甲基化酶IBM1也參與調控擬南芥對Pst DC3000的抗性。研究證明IBM1可以直接與PR1、PR2和FRK1等防御相關基因結合，并且調控H3K9me2和H3K4me3在PR1、PR2和FRK1上的富集，影響這些基因的染色質狀態，從而調控基因表達，響應生物脅迫［82］。

在水稻中，組蛋白去甲基化酶JMJ704和JMJ705也被證明是對水稻白葉枯病病原體（Xanthomonas oryzae pv.oryzae，Xoo）的抗病性所必需的［83-84］。當Xoo侵染水稻時，JMJ705會被誘導表達以響應Xoo，JMJ705通過去除LOX、AOS2、PR5、PR10等防御相關基因上的H3K27me3標記，激活防御基因表達，增強植物對Xoo的抗性。JMJ705還會在生物脅迫期間被MeJA誘導，增強其表達水平，從而更持續地激活防御相關基因［83］。與JMJ705的抗病機制相反，JMJ704是通過抑制防御負調控因子來正向調控水稻防御，JMJ704可以調控白葉枯病抗性途徑的多個基因，通過減少水稻防御負調控基因OsNRR、OsWRKY62和Os-11N3上的H3K4me2/3標記，抑制它們的轉錄，從而增強對Xoo的抗性［84］。

4 總結與展望

組蛋白甲基化/去甲基化在基因表達的調控中起重要作用，其中組蛋白賴氨酸甲基化是表觀遺傳修飾的重要組成部分，通過不同位點或不同程度的甲基化修飾來調控相應基因的表達水平。大量研究表明，KDMs參與DNA修復、DNA甲基化、基因轉錄沉默和轉錄后沉默，維持基因組穩定性等生理過程［78，85-87］，同時也參與植物生長發育調控和脅迫響應過程，例如晝夜節律、開花時間、種子萌發和幼苗生長以及應激反應，在植物中發揮著重要作用（圖1）。

圖1 植物去甲基化酶（KDMs）的作用機制以及生物學功能Fig.1 Mechanism and biological function of KDMs

KDMs在調控擬南芥和水稻的晝夜節律過程中發揮著重要作用，通過影響CCA1/LHY和 TOC1位點不同甲基化修飾狀態，調控不同溫度和不同日照長度下的節律，再通過影響FLC/FT等基因的染色質狀態進一步影響植物開花時間。同時KDMs還在植物抗逆過程中也起著重要作用，例如JMJ30/32參與響應脫落酸和BR信號傳導，使擬南芥適應不利環境，平衡植物生長和脅迫應激反應。但去甲基化酶活性是如何響應內源性信號或環境刺激還需要進一步探索。在植物受到生物脅迫時，KDMs也可以通過影響防御相關基因上的甲基化修飾，激活局部或系統性的防御反應，KDMs對靶基因的抑制和激活至關重要，但它們是如何在特定的位點上被招募的，以及去甲基化酶活性如何促進植物建立短期和長期防御反應仍是未來需要探究的方向。