您好, 歡迎來到化工儀器網
“斷臂信使”EIN2-C與組蛋白乙酰化修飾
在20世紀60年代，乙烯被確定為一種植物內源激素。乙烯對種子萌發、果實成熟、器官脫落和衰老等多種生理過程，以及植物在應對生物和非生物脅迫中都發揮重要作用【1-4】。在有乙烯存時，EIN2 C端去磷酸化，從內質網切割下來進入細胞核，在乙烯信號傳導中發揮關鍵作用，但其生物學功能仍然令人困惑。
2015年9月25日，美國德克薩斯大學*分校喬紅實驗室在Nature Communications發表了題為EIN2-dependent regulation of acetylation of histone H3K14 and non-canonical histone H3K23 in ethylene signaling的研究論文。該研究發現乙烯特異性提高了黃化幼苗中組蛋白H3K14的乙酰化和H3K23的非經典乙酰化水平。而H3K14Ac和 H3K23Ac水平在ein2-5中顯著降低。以EIN2 CEND（EIN2 C-terminal end）酵母雙雜交篩選，作者發現了一個包含SANT 結構域的蛋白ENAP1 (EIN2 nuclear associated protein 1)。ENAP1ox株系展現出短的下胚軸，表明ENAP1正向調控對乙烯的響應。之前的研究表明，包含SANT 結構域的蛋白能夠和組蛋白相互作用【5,6】。基于此項報道，作者發現ENAP1可以和H3互作，并提高H3在K14 和 K23的乙酰化水平。遺傳分析發現，ein2-5 和 ein3-1eil1-1 都可以部分恢復ENAP1ox的表型。另外，ENAP1 也可以和 EIN3相互作用，表明EIN2、ENAP1 和 EIN3三者可能作為一個復合體參與對乙烯的響應。
在有乙烯時，EIN2對于H3K14Ac和H3K23Ac的升高至關重要
EIN2參與調控乙烯介導的H3K14Ac和 H3K23Ac的水平升高，但是機制不清楚。2017年9月19日，喬紅團隊在PNAS發表了題為EIN2 mediates direct regulation of histone acetylation in the ethylene response的研究論文，回答了這個科學問題。該研究發現，H3K14Ac和H3K23Ac的水平與EIN2蛋白的水平相關，而且EIN2-C足以挽救ein2-5的H3K14 / 23Ac水平。EIN2-C不包含DNA結合結構域，那么EIN2-C是怎么與染色質纏繞來調控組蛋白的乙酰化水平的？橋梁蛋白ENAP1再次映入作者的腦海中。通過對乙烯處理的pENAP1-ENAP1-YFP轉基因株系進行ENAP1-ChIP/EIN2-reChIP分析發現，在ENAP1和EIN2結合的1,739個基因中，在有乙烯時，超過50％的ENAP1-ChIP / EIN2-reChIP靶標與ENAP1結合靶標重疊。進一步的，作者發現乙烯通過調控EIN2-C與ENAP1的結合能力，而非ENAP1的蛋白水平來介導H3K23Ac的升高。無論是否存在乙烯，在Col-0中受乙烯調節的基因中，有超過92％的基因在ENAP1OE/ein2-5中沒有差異表達，表明ENAP1在乙烯響應中依賴于EIN2。總之，在沒有乙烯的時，ENAP1與組蛋白結合，潛在保留開放的染色質狀態，以保證植物能夠快速響應乙烯刺激。
gRNA-EIN3-T/dCas9-EIN2-C部分恢復ein2-5的表型
既然乙烯可以改變組蛋白的乙酰化水平，那么一個科學問題躍然紙上：在這個乙烯調控的生物學過程中，修飾組蛋白乙酰化的酶是什么？這包括組蛋白去乙酰化酶（histone deacetylases, HDACs）。2018年1月3日，喬紅團隊在The Plant Cell發表了題為Histone deacetylases SRT1 and SRT2 interact with ENAP1 to mediate ethylene-induced transcriptional repression的研究論文。在該研究中，作者在以ENAP1 or EIN2-C進行的酵母雙雜交篩選中，發現兩個HDACs：SRT1和SRT2。無論是否有乙烯時，SRT1和SRT2都以與ENAP1結合，并且乙烯可以增強這種結合。轉錄組分析發現，在Col-0中被乙烯抑制的基因中，約50％在乙烯處理的str1-1 srt2-1突變體中無響應，表明乙烯誘導基因的轉錄抑制依賴于SRT1和SRT2。另外，與Col-0相比，在srt1-1 srt2-1中，H3K9Ac水平顯著增加，而H3K14Ac和H3K23Ac水平上沒有顯著差異，表明SRT1/2是擬南芥組蛋白去乙酰化酶，并在K9位點調節H3的乙酰化。遺傳數據也支持這一觀點，SRT2ox/ein2-5 和 SRT2ox/ein3-1 eil1-1對乙烯的響應都依賴于EIN2和EIN3。綜上所述，在乙烯存在下，ENAP1募集SRT1和SRT2去除H3上K9的乙酰基，在乙烯抑制基因的啟動子上保持低水平的H3K9Ac來抑制它們的表達。
SRT1和SRT2調控H3K9Ac的工作模式圖
行文至此，EIN2調控組蛋白乙酰化的機制漸漸清晰，但是別忘了在乙烯信號通路中還有一個“兵團司令”EIN3，EIN3又是怎么調控乙烯介導的表觀遺傳修飾呢？欲知后事如何，且聽下回分解。
喬紅，在中科院遺傳發育所取得博士學位，隨后在Salk開展博士后研究。2013年，喬紅就職于美國德克薩斯大學*分校，研究方向是激素和脅迫信號調控下的染色質修飾與基因調控。經過多年探索，喬紅團隊已在期刊上發表多篇重要論文，在乙烯信號通路的解析以及乙烯對組蛋白修飾的調控機制研究中取得了一系列重要進展。