遗传发育所发现植物激素“核受体”作用机理

遗传与发育生物学研究所 / 2017-10-12
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MED25 与“核受体”COI1 互作调控茉莉酸响应基因的表达

激素调控植物生长发育和对环境适应性的方方面面。传统认为,植物激素的受体定位于细胞膜上。最近研究表明,茉莉酸、生长素等激素的受体却定位于细胞核中,这类似于动物激素的“核受体”。目前,人们对植物激素“核受体”的生理意义及作用机理尚所知甚少。

茉莉酸来源于不饱和脂肪酸的植物激素,调控植物的免疫反应和适应性生长。对应于病虫侵害或其它逆境刺激,活性茉莉酸被其“核受体”COI1 识别而释放核心转录因子 MYC2 的活性,进而在全基因组范围内激活茉莉酸响应基因表达。真核细胞中所有蛋白编码基因的转录是由 RNA 聚合酶 II 完成的,任何基因的转录表达都离不开特定的表观遗传环境。目前,人们尚不清楚 COI1 如何把茉莉酸信号准确无误地传递给 RNA 聚合酶 II,以保证特异性地转录茉莉酸响应基因;也不清楚参与茉莉酸途径的表观遗传因子如何与 COI1 和 MYC2 等遗传因子“密切沟通”,从而形成协调一致的茉莉酸响应基因表达谱。

转录中介体 (Mediator) 是进化上高度保守的由多个亚基组成的蛋白复合物。在基因转录过程中,转录中介体分别与基因特异的转录因子和 RNA 聚合酶 II 相互作用,介导二者之间的信息传递,被称为真核生物基因转录的中央控制器。中国科学院遗传与发育生物学研究所李传友研究组的研究表明,在茉莉酸信号转导中,植物 Mediator 的亚基 MED25 通过与“核受体”COI1 直接相互作用,而建立了茉莉酸受体蛋白与 RNA 聚合酶 II 及染色质沟通的“桥梁”。

研究发现,在“静息”状态下,MED25 通过直接相互作用把 COI1 招募到核心转录因子 MYC2 靶标基因的启动子区域;当活性茉莉酸浓度升高时,MED25 促进 COI1 依赖的对转录抑制子 JAZ 蛋白的降解。无论是在静息状态还是在激活状态下,MED25 的作用都有利于 MYC2 对茉莉酸响应基因的转录调控。这表明茉莉酸信号的识别实际发生在 MYC2 的靶标启动子区域。

进一步研究发现,MED25 还与组蛋白乙酰基转移酶 1(HAC1)相互作用,二者的相互作用可以选择性地调控 MYC2 靶启动子 H3K9 乙酰化,从而促进茉莉酸响应基因的转录表达。此外,HAC1 在 MYC2 靶启动子上的富集与活性依赖于 COI1 和 MED25。因此,MED25 将 COI1 与 HAC1 依赖的 H3K9 乙酰化联系起来,以激活 MYC2 对茉莉酸响应基因的转录调控。

李传友团队先前的研究表明,MED25 还与核心转录因子 MYC2 直接相互作用从而把 RNA 聚合酶 II 招募到 MYC2 的靶标启动子区域。研究揭示,Mediator 复合体的同一个亚基可将参与茉莉酸信号途径的遗传因子(受体蛋白 COI1 和核心转录因子 MYC2)与表观遗传因子(HAC1)整合至一个协调一致的转录调控过程中。

上述信号转导机制可能适用于那些受体位于细胞核中的其它植物激素(比如生长素)。研究人员发现,MED25 的蛋白结构在高等动物中是保守的;人类的 MED25 通过直接相互作用把甲状腺素等激素的“核受体”及 HAC1 的同源蛋白 CBP1 整合到同一个协调一致的转录调控过程中。研究发现了茉莉酸“核受体”的作用机理,揭示了尽管植物激素“核受体”的作用机制与动物中的显著不同,但二者在与 Mediator 亚基互作及调控激素响应基因表达的层面有非常高的保守性。

该研究在线发表在 PNAS 杂志上。研究工作得到了科技部重大研究计划、中科院战略性先导专项和国家自然科学基金委的资助。

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