植物组蛋白去甲基化酶研究进展

汤茜茜 林楚宇 陶增

（浙江大学农业与生物技术学院，杭州 310058）

在真核生物的细胞核中，染色质的转录基本单位是核小体，核小体是由大约147 bp的DNA包裹在组蛋白八聚体上形成的。每个组蛋白八聚体分别包含两个H2A、H2B、H3和H4［1］。位于核小体外的组蛋白氨基（N）端尾部容易受到各种翻译后修饰（post-translational modification，PTM）的影响，包括组蛋白甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化、SUMO化和ADP-核糖基化等［2-3］。不同位点以及不同的修饰会对转录造成不同的影响，例如组蛋白H3K4和H3K36的甲基化与转录激活有关，而组蛋白SUMO化，H3K9和H3K27甲基化就与转录抑制有关［2］。这些修饰在调控各种染色质活动中发挥关键作用，引起染色质状态变化，影响转录调控、染色质重塑、DNA修复和细胞周期等过程［2，4-5］。组蛋白修饰的动态调控已被证明参与植物和动物的生长发育和胁迫响应等生理过程［6-7］。

1 植物组蛋白赖氨酸去甲基化酶的分类及结构特点

组蛋白甲基化是组蛋白最常见也是最复杂的修饰之一，通常发生在赖氨酸（K）和精氨酸（R）残基的侧链上。赖氨酸的甲基化修饰可以是单甲基化、二甲基化和三甲基化［2，8］，精氨酸的甲基化修饰可以是单甲基化，对称或不对称二甲基化［9-10］。赖氨酸甲基化修饰常见于H3K4、K9、K27、K79和H4K20位点［11］，在动物中，组蛋白H3K4、K36和K79甲基化主要与基因的转录激活相关，而H3K9、H3K27 和 H4K20 甲基化则与基因沉默相关［8，12］。类似地，在植物中H3K4和H3K36甲基化与转录激活相关，而 H3K9和 H3K27甲基化与异染色质和转录抑制相关，说明不同位点以及不同程度的甲基化状态会导致不同的染色质状态，进而影响基因的转录水平。此外，不同类型的组蛋白甲基化可能存在于同一染色质区域，并相互作用以协调转录。同时，组蛋白甲基化是可逆的，甲基化水平受组蛋白赖氨酸甲基转移酶（lysine methyltransferases，KMTs）和赖氨酸去甲基化酶（lysine demethylases，KDMs）的动态调控［13］。其中，组蛋白赖氨酸去甲基化酶存在两种类型：赖氨酸特异性去甲基化酶 1（KDM1/LSD1）和含有JmjC（Jumonji C）结构域的组蛋白去甲基化酶（JmjC domain-containing histone demethylases，JHDMs）［14］，JHDMs 又 可 分 为 5 个不 同 的 组， 包 括 KDM4/JHDM3、KDM5/JARID1、JMJD6、KDM3/JHDM2和 仅 JmjC 域 组［14］。 目 前已在拟南芥（Arabidopsis thaliana）和水稻（Oryza sativa）中鉴定出4种LSD1同源物［15］，同时也在拟南芥和水稻中分别鉴定出21个和20个含有Jmj结构域的组蛋白去甲基化酶［14］（表1）。

表1 拟南芥/水稻中赖氨酸去甲基化酶（KDMs）分类Table 1 Classification of KDMs（lysine demethylases）

2 植物组蛋白赖氨酸去甲基化酶调控生长发育

2.1 调控植物开花

在拟南芥中，FLD（FLOWERING LOCUS D）及其同源物LDL1（LSD1-LIKE 1）和LDL2（LSD1-LIKE 2）编码LSD1类型的组蛋白去甲基化转移酶，通过影响FLC染色质上组蛋白修饰H3K4me2的沉积从而调控FLC的基因表达并调控花期转换［15，21］。拟南芥H3K27去甲基化酶ELF6（EARLY FLOWERING 6）和 REF6（RELATIVE OF EARLY FLOWERING 6）也参与植物开花调控，并在开花时间的调控中发挥不同作用，elf6突变植株表现早花，而ref6突变体呈现晚花表型［22］。REF6通过组蛋白修饰抑制FLC转录，REF6的突变会导致FLC mRNA 水平升高，但不影响CO的表达水平，说明REF6以FLC依赖性途径调控植物开花。并且REF6还可以抑制FT、SOC1的表达，从而防止植物早开花［22］。相反，ELF6通过激活FLC的表达，并在对FLC的调控中与JMJ13部分功能冗余［23］。此外 ELF6可以直接结合FT的染色质位点，通过降低其染色质上H3K4的甲基化水平来抑制FT 的转录活性，说明ELF6是通过光周期开花途径调控植物开花。同时，JMJ13在高温条件下负调控开花，以依赖于温度和光周期的方式调控花期转换，但具体的调控机制仍有待探索［24］。在拟南芥中另外两个H3K27去甲基化酶，JMJ30与JMJ32也可以通过直接结合FLC基因位点，去除H3K27me3修饰，从而抑制开花。即使在温度升高的条件下，JMJ30的 RNA和蛋白质水平仍保持稳定，防止植物过早开花［25］。

此外，JMJ14编码H3K4的去甲基化酶，可以通过抑制FT和SOC1的表达影响开花［26-27］，并且JMJ14还可以与转录因子NAC050和NAC052互作，共同参与转录抑制和开花时间的调控［28］。最新研究表明JMJ14可能是微蛋白抑制复合物miP1a/b的一部分，共同抑制FT表达［29］。而JMJ14的两个同源基因JMJ15和JMJ18与其作用相反，JMJ15和JMJ18通过减少FLC基因上的H3K4me3来抑制其表达，从而激活FT促进植物开花［30-31］。水稻中的一种H3K4去甲基化酶Se14，可以移除RFT1启动子区域的H3K4me3修饰来调控水稻的开花［32］。

H3K9的去甲基化酶JMJ27和JMJ28也在被证明参与植物开花调控，jmj27突变体比野生型植物更早开花，表明JMJ27是拟南芥开花的负调控因子，研究表明JMJ27通过直接或间接调控FLC和CO基因位点的H3K9me2修饰抑制开花［33］。JMJ28与FBH（FLOWERING BHLH）转录因子相互作用通过移除H3K9me2进而激活CO表达影响开花，并且JMJ28在CO基因位点上的结合依赖FBH［34］。

2.2 调控植物昼夜节律

植物的生物钟会受到多种环境因素的影响，如光照和温度，植物体内的生物钟基因对维持昼夜节律具有重要作用。节律相关基因CCA1（CIRCADIAN C LOCK ASSOCIATED 1）和LHY（LATE ELONGATED HYPOCOTYL）在早晨表达［35-36］，而 TOC1（TIMING OF CAB EXPRESSION 1）在晚上表达［37］，它们之间存在反馈回路来调控昼夜节律［38-39］。CCA1和LHY负调控TOC1的表达，而TOC1可以与CCA1和LHY的启动子结合并抑制他们的表达［40］，或通过抑制PRR（PSEUDO-RESPONSE REGULATOR）基因间接促进CCA1和LHY的表达［39-40］。研究表明，组蛋白去甲基化在生物节律的调控中同样起着重要的作用。

JMJ30已被证明在植物和人类昼夜节律系统中发挥重要作用［41］，在拟南芥中，JMJ30与TOC1协同作用促进CCA1和LHY表达，而CCA1/LHY又可以直接与JMJ30启动子结合抑制其表达［41-42］，表明JMJ30与生物钟的调控密切相关。最近的研究表明，拟南芥JMJ30与EC（evening complex）组分共同表达，抑制温度响应基因PRR7的表达［43-44］，并且高温会促进JMJ30在PRR启动子区的积累，进一步抑制其表达，以响应温度变化，实现温度补偿［44］。

组蛋白去甲基化酶LDL1和LDL2可以与组蛋白去乙酰化酶HDA6相互作用形成复合物，被CCA1/LHY招募抑制TOC1表达［45］。进一步研究表明LDL1/2-HDA6复合物还可以与TOC1相互作用，反过来抑制CCA1/LHY的表达［45］。表明LDL1/2-HDA6组蛋白修饰复合物对于调控核心生物钟很重要。类似地，CCA1/LHY还可以与组蛋白去甲基化酶JMJ14和组蛋白甲基转移酶SDG2形成反馈关系，通过调控H3K4me3水平来调控基因表达的节律性［46］。此外，另一H3K4去甲基化酶JMJ29也被证明参与昼夜节律调控，JMJ29可以与EC的组分ELF3（EARLY FLOWERING 3）相互作用，EC通过招募JMJ29到CCA1和PRR9启动子区，催化H3K4me3去甲基化，使其在夜晚保持低水平表达［47］。

2.3 调控种子萌发和幼苗生长

种子休眠和幼苗生长是植物重要的生长发育阶段，在调控植物生命周期起着关键作用。植物在长期进化中发展了一整套精确的调控机制，以便种子在适宜的环境条件下萌发，同时在不利环境下适应生长，从而完成整个生命周期和世代繁衍［48］。其中，脱落酸（ABA）是种子休眠和幼苗生长过程中的关键信号分子，种子的萌发会受到脱落酸的影响。最近的研究表明，组蛋白去甲基化参与了这一重要生理过程［49-51］。

对于本研究两组患者的手术情况进行观察比较,统计两组患者的手术时间、术中出血量,患者的住院时间,并且对两组患者的并发症情况进行比较。

组蛋白去甲基化酶LDL1和LDL2可以抑制成熟种子中DOG1、ABA2、ABI3等休眠相关基因的表达水平，通过介导DOG1和脱落酸信号通路参与种子休眠调控［52］。种子萌发后，ABI3可以响应脱落酸来激活JMJ30表达，JMJ30通过结合SnRK2.8（SNF1-related protein kinase 2.8）启动子，移除H3K27me3修饰，激活SnRK2.8表达。SnRK2.8进一步激活ABI3，形成反馈环［53］。ABI3-JMJ30/32-SnRK2.8反馈环介导了发芽后阶段的脱落酸依赖性生长停滞，说明JMJ30和JMJ32是发芽后脱落酸依赖性生长停滞所必需的［53］。此外，JMJ30/32还参与协调拟南芥发芽后阶段脱落酸和油菜素内酯（BR）信号通路之间的拮抗作用，种子发芽后脱落酸激活JMJs表达，JMJs去除BZR1（BRASSINAZOLE RESISTANT 1）基因位点的H3K27me3修饰，促进BZR1表达，维持发芽后阶段的细胞稳态。同时BR还可以抑制JMJs，影响下游靶基因SnRK2.8表达，从而抑制脱落酸介导的幼苗停滞，说明JMJ30和JMJ32可以通过去除H3K27me3来平衡生长和应激反应［54］。

H3K4去甲基化酶JMJ17也在种子萌发和幼苗生长过程中调控脱落酸响应基因的表达。JMJ17与脱落酸信号传导的负调控因子WRKY40相互作用，并被WRKY40招募到ABI5启动子区，去除H3K4me3修饰，抑制ABI5表达，促进种子萌发。JMJ17与WRKY40共同调控靶基因以响应脱落酸，从而调控种子萌发和幼苗生长［55］。

2.4 调控叶片衰老

叶片衰老是叶片发育的最后阶段，是植物发育的一个重要组成部分，叶片可以通过这一过程实现营养物质向发育中的种子或其他生长器官迁移［56］。其中，脱绿是叶片衰老的最明显症状，这一过程中大量衰老相关基因（senescence-associated genes，SAGs）会被激活。H3K4me3去甲基化酶JMJ16靶向叶片衰老正调控因子WRKY53和SAG201，通过减少这些基因位点的H3K4me3水平来抑制其表达，从而抑制叶片衰老［57］。

H3K27去甲基化酶REF6也被证明参与叶片衰老的调控，叶片衰老过程中REF6可以和EIN2、ORE1、NAP、NAC3、NTL9、NYE1/2、LOX1、PAD4和PPDK等衰老调控基因结合，催化其启动子区/编码区H3K27me3去甲基化来激活基因表达，加速叶绿素降解和叶片老化［58］。

3 植物组蛋白赖氨酸去甲基化酶响应逆境

3.1 参与干旱胁迫响应

干旱是影响植物生长发育的非生物胁迫因子，响应干旱胁迫的基因表达通常受组蛋白翻译后修饰和DNA甲基化的调控［59］。在植物脱水的情况下，H3K4甲基转移酶和去甲基化酶会通过拮抗作用来维持生长和胁迫耐受性基因的表达平衡［60］，拟南芥H3K4去甲基化酶JMJ17就被证明参与脱水胁迫响应［61］。正常情况下，JMJ17与脱水胁迫和脱落酸响应基因OST1（OPEN STOMATA 1）结合，去除该基因位点的H3K4me3标记，抑制其表达。植物受到脱水胁迫时，JMJ17活性被抑制，OST1基因上的H3K4me3水平增加，激活基因表达，响应脱落酸诱导的气孔关闭和脱水胁迫［61］。水稻中的H3K4去甲基化酶OsJMJ703也被证明参与干旱胁迫，过表达OsJMJ703的转基因水稻对干旱胁迫敏感，而敲除OsJMJ703会增强水稻对干旱胁迫的耐受性，然而具体机制有待进一步研究［62］。

H3K9去甲基化酶JMJ27也参与调控干旱胁迫反应。JMJ27通过调控干旱胁迫的正调控因子GOLS2（GALACTINOL SYNTHASE 2）和RD20（RESPONSE TO DESICCATION 20）基因上的H3K9me2水平，正向调控干旱胁迫反应。正常环境下26S蛋白酶体亚基RPN1a与JMJ27互作，负调控JMJ27的积累。干旱条件下RPN1a丰度降低，促进JMJ27积累，进一步促进JMJ27与GOLS2和RD20结合，激活GOLS2和RD20表达，以响应干旱胁迫［63］。

3.2 参与热胁迫响应

全球变暖引起的平均温度升高，对植物的生长发育造成不可逆的损害，热胁迫会引起植物细胞中蛋白质错误折叠和活性氧积累。热激转录因子HSFA2（HEAT SHOCK TRANSCRIPTION FACTOR A2）是特异性参与热胁迫记忆的重要因子［64］。在环境温度升高时，HSFA2与热休克蛋白（heat shock proteins，HSPs）的编码基因结合，保护细胞蛋白，HSFA2在预防和修复热胁迫造成的损伤方面起着至关重要的作用，同时还能延长拟南芥获得性耐热的持续时间，从而赋予植物在应对后续的类似胁迫中具有更强的抗性［64］。植物进化出复杂的表观遗传机制，以适应升高的环境温度。

高温会导致特定基因座上H3K4me3和H3K4me2的持续积累［65］。拟南芥JMJ14作为一种H3K4me3去甲基化酶，可以直接靶向一组高温下调基因，去除H3K4me3标记抑制转录，并且高温会增强JMJ14与靶基因的结合。JMJ14的突变影响植物热响应激活和抑制程序相关基因的表达，同时JMJ14和胞质异构体（cytosolic isocitrate dehydrogenases，cICDH）的双突变体cdh-1 jmj14-1表现出对高温不敏感的表型，说明JMJ14和cICDH协同调控植物对高温反应的关键基因［66］。此外，JMJ14还与JMJ15、JMJ18在植物热响应过程中存在冗余功能，并且cICHD的突变可能会影响JMJ15和JMJ18 的功能［66］。

H3K27me3去甲基化酶也被证明参与高温胁迫响应。REF6可以和HSFA2形成一个正反馈环维持植物对高温的跨代记忆。一方面，HSFA2直接结合并激活REF6和染色质重塑因子BRAHMA（BRM），REF6/BRM 反过来促进HSFA2位点H3K27me3 去甲基化，跨世代维持其转录激活状态，形成可遗传的转录反馈回路。另一方面，HSFA2结合SGIP1（SUPPRESSOR OF GENE SILENCING 3（SGS3）-INTERACTING PROTEIN 1）启动子，激活SGIP1的表达，进而通过降解SGS3蛋白抑制tasiRNAs的产生，tasiRNAs水平下降会激活其靶标HTT5（HEATINDUCED TAS1 TARGET 5）的表达，HTT5上调导致植物早开花，并且出现抗病性减弱的表型。通过跨世代降解SGS3和激活tasiRNA靶标HTT5确保热记忆表型传递给未受胁迫的后代，促进植物繁殖和后代适应性［67］。

最近的研究还表明H3K27me3去甲基化酶，是拟南芥热驯化所必需的［68-69］。JMJ30、JMJ32、ELF6和REF6的四突变体jmjq热驯化后存活率明显低于野生型，并且HSP基因在热驯化的jmjq突变体中表达延迟，说明JMJs在HSP基因的快速诱导中起重要作用。进一步研究表明JMJ30蛋白可以直接与HSP22和HSP17.6C基因座结合，通过JMJs的去甲基化酶活性使HSP22和HSP17.6C基因上的H3K27me3标记维持在较低的水平，促使这些基因对之后的热胁迫更敏感［68］。此外，JMJ30还可以与HSP21基因座结合，调控H3K27me3和H3K4me3水平以响应热胁迫［69］。

3.3 参与生物胁迫响应

自然界中，植物总会受到各种病原物（如细菌、真菌和病毒等）的侵袭。在长期的进化过程中，为了抵抗病原微生物的侵袭，植物逐渐建立了一系列复杂的防御机制，根据免疫受体类型主要分为两类，分别是病原体相关分子模式触发的免疫（pattern-triggered immunity，PTI）和效应器触发的免疫（effector-triggered immunity，ETI）［70-72］。植物对活体营养型病原菌的抗性主要通过水杨酸（SA）途径，而对死体营养型菌的防御主要通过茉莉酸/乙烯（JA/ET）途径［73-74］。PTI和 ETI诱导过程中通常涉及大量基因的转录重编程［75］，其中组蛋白甲基化修饰在植物抗病反应过程中有着至关重要的作用［76-77］。

拟南芥受到丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae pv.tomato DC3000，Pst DC3000）侵 染 后，JMJ27会被诱导表达，并且jmj27缺失突变体在接种病原菌后会产生更严重的发病症状，说明JMJ27是植物对丁香假单胞菌抗性所必需的。JMJ27通过抑制负调控防御的WRKY基因的表达，正调控发病相关基因PR1、PR3、PR4和PR5，直接或间接控制抗病相关基因的H3K9甲基化水平来参与拟南芥中对丁香假单胞菌的防御［33］。同时，jmj27突变体还显示早开花的表型，说明JMJ27在调控病原体防御和开花时间方面具有双重作用［33］。

除JMJ27之外，H3K4去甲基化酶JMJ14，不仅参与调控拟南芥开花时间、转录基因沉默（transcriptional gene silencing，TGS）和转录后基因沉默（post-transcriptional gene silencing，PTGS）［28-29，78-79］。最近的研究表明，JMJ14还可以通过影响H3K4me3在PR1、ALD1、FMO1和SNI1等防御相关基因上的沉积，影响基因转录本的丰度，调控植物免疫。在非感染条件下，JMJ14负向调控SNI1的表达以维持植物防御系统的敏感性。植物受到病原侵染后，JMJ14增强水杨酸途径反应，正向调控对Pst DC3000的局部防御，同时JMJ14还正向调控参与Pip生物合成的ALD1和SARD4，促进植物建立系统获得性抗性（systemic acquired resistance, SAR）。说明JMJ14对于植物基础免疫和SAR是必需的［80］。

LDL1和LDL2也被证明参与调控植物基础免疫和SAR的建立，LDL1/2参与H3K4去甲基化，并且在抗病过程中部分功能冗余。LDL1/2通过影响WRKYs、ERFs、PR1和FRK1等防御基因位点的H3K4甲基化水平，使防御基因在植物未感染时维持低表达状态，保证免疫反应的关闭状态，保持基因的转录敏感性，促使植物在感染病原菌后更好的建立防御反应［81］。

此外H3K9去甲基化酶IBM1也参与调控拟南芥对Pst DC3000的抗性。研究证明IBM1可以直接与PR1、PR2和FRK1等防御相关基因结合，并且调控H3K9me2和H3K4me3在PR1、PR2和FRK1上的富集，影响这些基因的染色质状态，从而调控基因表达，响应生物胁迫［82］。

在水稻中，组蛋白去甲基化酶JMJ704和JMJ705也被证明是对水稻白叶枯病病原体（Xanthomonas oryzae pv.oryzae，Xoo）的抗病性所必需的［83-84］。当Xoo侵染水稻时，JMJ705会被诱导表达以响应Xoo，JMJ705通过去除LOX、AOS2、PR5、PR10等防御相关基因上的H3K27me3标记，激活防御基因表达，增强植物对Xoo的抗性。JMJ705还会在生物胁迫期间被MeJA诱导，增强其表达水平，从而更持续地激活防御相关基因［83］。与JMJ705的抗病机制相反，JMJ704是通过抑制防御负调控因子来正向调控水稻防御，JMJ704可以调控白叶枯病抗性途径的多个基因，通过减少水稻防御负调控基因OsNRR、OsWRKY62和Os-11N3上的H3K4me2/3标记，抑制它们的转录，从而增强对Xoo的抗性［84］。

4 总结与展望

组蛋白甲基化/去甲基化在基因表达的调控中起重要作用，其中组蛋白赖氨酸甲基化是表观遗传修饰的重要组成部分，通过不同位点或不同程度的甲基化修饰来调控相应基因的表达水平。大量研究表明，KDMs参与DNA修复、DNA甲基化、基因转录沉默和转录后沉默，维持基因组稳定性等生理过程［78，85-87］，同时也参与植物生长发育调控和胁迫响应过程，例如昼夜节律、开花时间、种子萌发和幼苗生长以及应激反应，在植物中发挥着重要作用（图1）。

图1 植物去甲基化酶（KDMs）的作用机制以及生物学功能Fig.1 Mechanism and biological function of KDMs

KDMs在调控拟南芥和水稻的昼夜节律过程中发挥着重要作用，通过影响CCA1/LHY和 TOC1位点不同甲基化修饰状态，调控不同温度和不同日照长度下的节律，再通过影响FLC/FT等基因的染色质状态进一步影响植物开花时间。同时KDMs还在植物抗逆过程中也起着重要作用，例如JMJ30/32参与响应脱落酸和BR信号传导，使拟南芥适应不利环境，平衡植物生长和胁迫应激反应。但去甲基化酶活性是如何响应内源性信号或环境刺激还需要进一步探索。在植物受到生物胁迫时，KDMs也可以通过影响防御相关基因上的甲基化修饰，激活局部或系统性的防御反应，KDMs对靶基因的抑制和激活至关重要，但它们是如何在特定的位点上被招募的，以及去甲基化酶活性如何促进植物建立短期和长期防御反应仍是未来需要探究的方向。