中國農業大學賀岩研究組揭示了組蛋白H3K4甲基轉移酶ATX3/4/5基因對於植物發育中的重要作用

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近日，國際著名植物學期刊Plant Physiology在線發表了中國農業大學與美國康奈爾大學合作的題為「ATX3,ATX4, andATX5encode putative H3K4 methyltransferases andare critical for plant development」的研究論文。該研究通過對含有SET結構域蛋白ATXs的突變體材料atx3/4/5的深入研究，結果表明ATX3, ATX4, ATX5是一類H3K4me2/me3甲基轉移酶，對植物的營養生長和生殖發育具有重要的作用。

Figure 2. Phenotypes of atx3/4/5 triple mutant plants.

組蛋白甲基化修飾是一種重要的表觀調控因子，其直接影響染色質的狀態和一系列基因的表達。組蛋白H3上賴氨酸殘基(H3K-) 的甲基化主要由一類含有保守的SET (Su(var), Enhancer of zeste (E(z)), and Trithorax) 結構域的蛋白催化形成。它們參與組蛋白H3甲基化，影響染色體結構，並且調控基因表達，在植物生長發育過程中起著重要的作用。

植物中含有SET結構域的基因家族成員較多，在擬南芥中大約有49個這樣的的蛋白，因此也被稱之為SET DOMAIN GROUP (SDG) 蛋白。SDG蛋白按照其結構域的特徵和催化活性分為不同的類別，其中class III是一類對H3K4me2/me3甲基化具有催化活性的重要蛋白。擬南芥中共有5個ATXs (ARABIDOPSIS TRITHORAX )基因，即ATX1-5。目前對於ATX1和ATX2的功能研究較多，而對於ATX3-5還沒有的相關的報道。

在該研究中，作者通過一系列ATXs基因的突變體材料( atx3/4, atx3/5, atx4/5;atx3/4/5;atx1/atx3/atx4/atx5, atx2/atx3/atx4/atx5 ) 並結合RNA-Seq和ChIP-Seq高通量測序數據結果深入研究了ATX3，ATX4和ATX5在擬南芥發育過程中的相關功能。研究發現ATX3，ATX4和ATX5這3個蛋白含有相似的domain結構和表達模式，並且發現其在營養生長和生殖發育過程中的功能冗余。同時突變ATX3，ATX4和ATX5基因導致全基因組範圍內H3K4me2和H3K4me3甲基化水平的明顯下降，進而影響上千個基因的表達。

該研究由中國農業大學、瀋陽農業大學和美國康奈爾大學等高校合作完成。文章的通訊作者為中國農業大學的賀岩教授和美國康奈爾大學Wojciech P. Pawlowski教授。該研究受到國家自然科學基因和美國國家科學基金的支持。

Methylation of lysine residues in the tail of the H3 histone is a key regulator of chromatin state and gene expression, conferred by a large family of enzymes containing an evolutionarily-conserved SET domain. One of the main types of SET domain proteins are those controlling H3K4 di- and trimethylation. The genome of Arabidopsis encodes 12 such proteins, including five ARABIDOPSIS TRITHORAX (ATX) proteins and seven ATX-Related (ATXR) proteins. Here we examined three until-now-unexplored ATX proteins, ATX3, ATX4, and ATX5. We found that they exhibit similar domain structures and expression patterns, and are redundantly required for vegetative and reproductive development. Concurrent disruption of the ATX3, ATX4, and ATX5 genes caused marked reduction in H3K4me2 and H3K4me3 levels genome-wide, and resulted in thousands of genes expressed ectopically. Furthermore, atx3/atx4/atx5 triple mutants resulted in exaggerated phenotypes when combined with the atx2 mutant but not with atx1. Together, we conclude that ATX3, ATX4, and ATX5 are redundantly required for H3K4 di- and trimethylation at thousands of sites located across the genome, and genomic features associated with targeted regions are different from the ATXR3/SDG2-controlled sites in Arabidopsis.

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