多梳蛋白復合體PRC2調控水稻發育的研究進展

趙靖澤， 楊紅春

(武漢大學生命科學學院 雜交水稻國家重點實驗室，湖北 武漢 430072)

真核生物的DNA纏繞在組蛋白八聚體上形成核小體，核小體是染色質的基本組成單位。細胞核中，染色質進一步組裝、折疊形成染色質的高級結構，這種致密結構阻礙了DNA的復制、轉錄等過程。在長期的進化過程中，生物體內形成多種蛋白復合體，能夠在組蛋白上引入甲基化、乙酰化和泛素化等共價修飾，招募染色質重塑復合體，改變染色質的可及性，實現基因轉錄的動態調節。這種調控方式不依賴于核苷酸序列的改變，所產生的影響在一定條件下可以通過細胞分裂和DNA復制遺傳到子細胞，稱之為表觀遺傳調控。

多梳蛋白復合體PRC2最先在果蠅中發現，是表觀調控的重要組分。PRC2通過催化組蛋白H3第27位賴氨酸的三甲基化抑制基因的表達。PRC2由4個核心組分構成，分別是E(z)(enhancer of zeste)、Su(z)12(suppressor of zeste 12)、ESC(extra sex combs)以及Nurf55(nucleosome remodeling factor 55)[1]。其中，E(z)具有甲基轉移酶結構域[2]，Su(z)12與ESC亞基可以提高E(z)的甲基轉移酶活性，PRC2的甲基轉移酶活性依賴于E(z)、Su(z)12和ESC，三者缺一不可[3]。E(z)與核小體的結合依賴于Su(z)12和Nurf55的功能[3-4]。PRC2組分在植物中高度保守，模式植物擬南芥中，相關研究已經比較充分。近年來，水稻中PRC2組分及其功能的研究也有一定的進展。

1 擬南芥PRC2組成及功能概述

擬南芥具有果蠅PRC2各組分的同源蛋白，包括E(z)同源蛋白MEA(MEDEA)、CLF(curly leaf)和SWN(swinger)[5-7]，Su(z)12同源蛋白FIS2(fertilization independent seed 2)、VRN2(vernalization 2)和EMF2(embryonic flower 2)[8]，ESC同源蛋白FIE(fertilization independent endosperm)[9]以及Nurf55同源蛋白MSI1(multicopy suppressor of Ira 1)[10]。目前，擬南芥中發現了3種不同形式的PRC2復合體，在發育過程中發揮著不同的功能，其中，FIS-PRC2由MEA、FIS2、FIE和MSI1組成，調控胚乳發育[9-12]；VRN-PRC2復合體包含SWN/CLF、VRN2、FIE和MSI1，通過抑制FLC的表達促進植物開花[13-15]；EMF2-PRC2復合體也由4個蛋白組成，分別是CLF、EMF2、FIE和MSI1，調控植物莖的發育和開花等發育過程[8,16]。此外，FIE也能調控葉片的發育[17]。

2 水稻PRC2組成及功能概述

水稻是全球最重要的糧食作物之一，產量關系到世界一半人口的吃飯問題。水稻的產量與自身的生長發育狀態息息相關，因此，研究水稻生長發育的調控機制，對培育優質高產水稻具有重要意義。研究表明，PRC2在水稻整個生長發育過程中扮演重要的角色。水稻中有6個PRC2組分的同源蛋白，分別是ESC同源蛋白OsFIE1和OsFIE2，Su(z)12同源蛋白OsEMF2a和OsEMF2b，以及E(z)同源蛋白OsCLF和OsSET1。這些組分在水稻發育的各階段發揮著重要的調控作用，調節水稻的株高、育性以及種子發育等生物學進程。

2.1 OsFIE1和OsFIE2

水稻中PRC2的組分OsFIE1與OsFIE2是ESC的同源蛋白，二者具有72%的氨基酸序列相似性[18]，然而二者在表達模式與表達量上有著明顯的區別。其中，OsFIE1在胚乳中特異表達并富集于內種皮，OsFIE2在水稻各組織中均有表達。胚乳中，OsFIE1的表達量僅為OsFIE2的4%[19]。

OsFIE1和OsFIE2通過調控水稻種子貯藏物質合成代謝相關基因的表達，影響水稻胚乳中貯藏物質的合成，進而調控種子發育。與野生型相比，OsFIE1的T-DNA突變體種子更小且質量減輕。OsFIE1表達量降低導致種子中貯藏蛋白含量降低，谷蛋白合成基因GluA1(glutamate A1)、GPA1(glutelin precursor accumulation 1)和脂質轉運相關基因LTPL82(lipid transfer protein-like 82)、LTPL83表達水平降低[20]。OsFIE2-RNAi株系和OsFIE1突變體具有相似的表型，表達量下調程度較輕的株系表現為飽滿種子數量減少，千粒重減輕；表達量下調較多的株系無法產生可育后代。進一步研究表明，OsFIE2表達量降低同樣導致種子中醇溶谷蛋白含量減少，GluA1表達下調。此外，種子中淀粉含量減少，編碼淀粉合成限速酶的基因AGPS2b(ADP-glucose pyrophosphorylase small subunit 2b)表達水平降低[19]。生化研究表明，OsFIE1與E(z)同源蛋白OsCLF和OsSET1直接互作，形成OsFIE1-PRC2復合體；OsFIE2與OsSET1、OsCLF和OsEMF2b形成OsFIE2-PRC2復合體[19-20]。這些研究暗示水稻受精后，OsFIE1-PRC2和OsFIE2-RPC2可能通過各自的直接靶標基因影響貯藏物質合成代謝相關基因的表達，間接調控種子中包括蛋白質和淀粉在內的貯藏物質的積累。目前這兩種PRC2復合體的具體組分、功能發揮的機制仍有待進一步研究。

OsFIE1和OsFIE2在調控水稻種子發育方面的功能并不完全相同。OsFIE1-RNAi株系表現為種子發育延遲，而OsFIE2-RNAi株系的種子存在休眠缺失，提前萌發的現象[21]。OsFIE2表達水平的降低除了導致種子飽滿度的下降，還會降低植株的育性。OsFIE2-RNAi株系的花粉數量減少且多數花粉不育，正常受精的子房在后續的發育過程中，部分不能發育成胚或胚發育停滯于球形期[22]。

OsFIE2在水稻的營養生長階段也發揮著重要作用。在葉片發育過程中，OsFIE2特異性調控維管束的發育，當OsFIE2表達水平降低時，維管束細胞過度生長、維管束不均等發育，植株葉鞘卷曲[22]。在水稻的根發育方面，OsFIE2-RNAi株系表現為初生根伸長生長提前終止、側根過度生長。在根尖分生組織處，QHB(quiescent-center-specific-homeobox)的表達量低于野生型植株[22]。QHB是一個水稻WUS類基因，在根尖特異性表達，維持根尖分生組織干細胞狀態[23]。

2.2 OsEMF2a和OsEMF2b

EMF2是PRC2組分Su(z)12的同源蛋白，在二倍體禾本科植物中高度保守。水稻中有兩個EMF2的同源蛋白：OsEMF2a和OsEMF2b，都具有組成型表達的模式[24]。

OsEMF2a在水稻受精后表達豐度增高，調控種子發育。osemf2a有胚發育停滯、種子內貯藏物質合成缺陷和胚乳細胞化進程延遲的表型，最終導致育性完全喪失。osemf2a胚的發育多數停滯在球形期，能夠繼續發育的胚會因為胚乳發育異常而喪失活力。osemf2a的胚乳中糖類含量增加，蛋白和淀粉的含量顯著減少，呈膠狀而非乳狀或糊粉狀。并且突變體的穎花中細胞分裂素過量積累，導致細胞周期異常活躍，胚乳細胞化延遲。基因表達分析的結果表明，AGPS2、AGPL2(ADP-glucose pyrophosphorylase large subunit 2)和OsSSIIa(Oryzasativastarch synthases IIa)等種子淀粉合成關鍵基因在突變體中表達量降低；OsLOGL1(Oryzasativalonely guy-like 1)、OsIPT2(Oryzasativaisopentenyltransferase 2)和OsRR5(Oryzasativaresponse regulator 5)等細胞分裂素相關基因表達量升高；但這些細胞分裂素信號轉導相關基因的H3K27me3修飾水平并無明顯變化，因此，OsEMF2a可能間接調控細胞分裂素的水平[24]。水稻胚乳的發育還受到印記基因的調控，父母本基因組所占比例也會影響胚乳的細胞化進程[25]。OsEMF2a是母系表達的印記基因，突變后導致水稻基因組中印記基因表達紊亂，影響胚乳的發育[26]。

OsEMF2b在水稻花發育方面有重要調控作用。水稻花發育E類基因對花分生組織的決定具有重要調控作用，OsMADS1(OryzasativaMADS-box transcription factor 1)促進水稻開花并通過調控花分生組織細胞正常分裂分化，維持花器官正常發育[27-29]；OsMADS34是穗發育調控基因，具有促進小穗分生組織形成、維持穗分生組織正常發育等功能[30-31]。在小花的形成過程中，OsMADS1抑制OsMADS34的表達，促進小穗分生組織向小花分生組織的轉變[32]。突變體osemf2b中，OsMADS1表達量降低，OsMADS34表達量升高，穎花出現內外稃過度增殖、漿片形成葉狀結構、心皮發育異常等花器官發育畸形的現象。osemf2b花器官命運決定缺陷可能與OsMADS1表達水平降低有關。同時在花器官發育過程中，OsEMF2b通過轉錄抑制的方式，影響OsMADS34的時空表達。OsEMF2b可能通過直接調控OsMADS34，控制其他與水稻花分生組織發育相關基因的表達，維持水稻花器官的正常發育[33]。

此外，突變體osemf2b只有少數花有雄蕊，且這些雄蕊發育不成熟或無法產生花粉，導致植株完全不育[33]。OsEMF2b的弱突變體表現出絨氈層不同程度地擴大以及小孢子部分不育。突變體中絨氈層細胞凋亡相關基因PTC1(persistent tapetal cell 1)表達水平降低[34-35]；花藥、花粉發育相關基因OsEAT1(Oryzasativaeternal tapetum 1)、OsAIP1(Oryzasativaactin-interacting protein 1)和GAMYB(gibberellin regulated MYB)等基因表達量升高[35]。水稻和大麥具有保守的花粉發育調控通路[36]，且大麥中HvGAMYB基因表達水平上調導致植株育性降低[37]，暗示這些基因表達水平的變化可能直接導致了突變體雄性不育的表型。

OsEMF2b還可以調控水稻種子休眠和幼苗生長。種子中，休眠調控相關基因OsVP1(Oryzasativaviviparoua 1)的表達水平隨OsEMF2b表達水平的升高而升高，在幼苗中則呈現出相反的表達趨勢。通過分析OsVP1轉錄起始位點上游H3K27me3和H3K4me3修飾的水平發現，幼苗和種子中H3K27me3修飾水平都隨OsEMF2b表達量的升高而升高，但在OsEMF2b過表達株系的幼苗中，H3K27me3/H3K4me3的比值更高。因此，OsEMF2b可能通過調節靶基因H3K27me3修飾和H3K4me3修飾的平衡來調控靶基因的表達[38]。

2.3 OsCLF和OsSET1

OsCLF與OsSET1是E(z)的同源蛋白[18]，二者的氨基酸序列具有52.1%的相似度[39]。OsCLF與OsSET1在水稻各組織中均有表達，OsSET1在葉片中的表達量明顯高于其他組織，二者在水稻開花相關的發育過程中具有重要的調控作用。

OsCLF與OsSET1分別在長日照和短日照條件下調控水稻的花期。長日照條件下，OsCLF的表達水平高于短日照條件，對水稻開花具有抑制作用。相比于野生型植株，OsCLF過表達株系中，開花促進基因Ehd1(early heading date 1)、Hd3a(heading date 3a)、OsMADS14和OsMADS15表達量降低，開花抑制基因Hd1(heading date 1)表達量升高，花期延遲20～25 d；RNAi株系有10～16 d的早花現象。當OsSET1表達水平降低時，開花促進基因Hd3a、OsMADS14和RFT1(rice flowering locus t 1)的表達量也下調[40]。OsCLF與OsSET1通過改變這些靶標基因染色質的H3K27me3修飾水平，調節這些基因的表達，控制開花時間。長日照條件下，OsCLF在Hd1抑制基因OsLF(Oryzasativalate flowering)和開花促進基因Ehd1染色質的5′端富集，促進H3K27me3的積累，直接抑制OsLF和Ehd1的表達。H3K4me3是促進基因表達的表觀修飾拮抗H3K27me3對基因的抑制作用。當OsCLF表達量升高時，開花抑制基因Hd1的H3K4me3修飾水平升高，OsLF和Ehd1的H3K4me3修飾水平降低。短日照條件下，Hd1促進水稻開花，OsLF抑制Hd1表達。OsSET1表達水平降低導致OsLF的H3K27me3修飾水平明顯降低，表達量上調[40]。

OsCLF還參與調控水稻穗的發育。OsCLF表達量升高，細胞分裂素降解相關基因Gn1a/CKX2(grain number 1a/cytokinin oxidase 2)染色質的H3K27me3修飾水平上調，抑制該基因的表達，使細胞分裂素在花分生組織中積累，促進水稻穗的發育[41-42]，植株表現為穗初級分枝以及種子數增多。JMJ703是H3K4me3的去甲基酶與OsCLF協同作用，通過調節H3K27me3與H3K4me3的水平，參與對Gn1a/CKX2的表達調控[42]。近年來研究發現，OsCLF通過維持淀粉合成基因OsAGPL3和OsBEI(Oryzasativastarch branching enzyme I)的H3K4me3-H3K27me3平衡以及淀粉酶基因OsSSIIa、OsBmy4(Oryzasativaβ-amylase 4)和OsBmy9的H3K9ac-H3K27me3平衡來維持水稻胚乳的正常發育[43]。這些研究表明，OsCLF可以通過影響H3K27me3修飾與其他表觀修飾的穩態，調控靶基因的表達，進而維持水稻的正常發育。

在水稻的營養生長階段，OsCLF、OsEMF2b和OsFIE2通過介導H3K27me3修飾，調控激素相關基因的表達，調節植株內源激素水平，參與植株形態建成。在突變體osemf2b中，GA分解代謝相關基因OsGA2ox5(OryzasativaGA2 oxidase 5)和OsGA2ox6染色質5′端的H3K27me3修飾水平明顯降低，表達量升高。OsCLF-RNAi與OsFIE2-RNAi株系中，OsCLF和OsFIE2表達量降低，GA相關基因的表達趨勢與osemf2b相近[44]，導致GA水平下降，植株變矮。

3 研究展望

PRC2對水稻的調控作用貫穿水稻的各個生長發育階段，是維持水稻正常生長發育的重要組分。在營養生長階段，OsFIE2調控水稻根和維管束的發育，并與OsCLF和OsEMF2b共同調控水稻的株高。在生殖生長階段，OsCLF與OsSET1分別在長短日照條件下抑制和促進水稻的開花。OsEMF2b在維持水稻花器官正常發育以及調控植株育性方面具有重要作用。此外，幾乎所有PRC2組分均參與調控水稻種子貯藏物質的合成和代謝。

PRC2通過對靶基因進行H3K27me3修飾，或者維持H3K27me3與其他表觀修飾在靶基因染色質的穩態調控水稻發育。在發育過程中，PRC2各組分之間可以組成不同的復合體發揮功能，如OsFIE1-PRC2和OsFIE2-PRC2共同調控種子貯藏物質的合成代謝。但在OsFIE1-PRC2復合體中尚未鑒定到與OsFIE1存在直接相互作用的Su(z)12同源蛋白，Su(z)12組分可能通過與OsFIE1-PRC2復合體中的其他組分相互作用參與復合體的形成。

現有的研究成果表明，PRC2在維持水稻正常生長發育方面發揮了重要作用，以及PRC2的調控機制具有多樣性，但水稻中PRC2的招募機制仍待進一步探索。已有研究表明，PcG(polycomb group)蛋白復合體與靶基因的結合需要DNA結合蛋白的參與。在果蠅中，PcG蛋白可以與特定的轉錄因子結合，如GAF(GAGA factor)[45-46]和Pho(pleiohomeotic)[47-48]，結合靶基因染色質，發揮功能。靶基因染色質能夠與PcG蛋白結合并導致轉錄沉默的序列被稱為PRE元件(polycomb response element)。雖然PRE元件的序列不保守，但轉錄因子招募PcG蛋白的機制是保守的[49]。因此，尋找并研究具有PRC2招募功能的轉錄因子，有利于闡明水稻中PRC2調節特定發育過程的機制，從而更加精準、全面地解釋PRC2對水稻發育的調控作用。