PcG（Polycomb Group）家族蛋白形成两个主要的复合体PRC（Polycomb Repressive Complex）1和2，分别介导H2Aub和H3K27me3来修饰染色质，对基因的转录抑制和染色质高级结构的调控有着至关重要的作用。与哺乳动物等较为不同的是，在拟南芥的基因组上，H2Aub与H3K27me3并没有完美的共定位，而存在较多的H2Aub单独修饰的区域。这些基因组区域在空间上是否与H3K27me3修饰的区域共定位，以及如何参与PcG介导的基因抑制是仍未被探索的。除此以外，在拟南芥中，PRC2介导的H3K27me3被发现作用于抑制性染色质环的形成，而PRC1介导的H2Aub在染色质环层面的功能是不清楚的。
近日，基因功能研究与操控全国重点实验室、中文成人直播-黄色直播网址 、北京大学-清华大学生命科学联合中心周岳课题组在Advanced Science上发表了题为“PRC1-Mediated H2Aub Loop Formation and Function in Arabidopsis”的研究论文。在拟南芥中系统性分析H2Aub富集区域参与形成的染色质环，揭示了PRC1介导的H2Aub loop在空间上与H3K27me3共同形成PcG Hub结构，并发现H2Aub loop的存在能够抑制基因的表达。
周岳课题组根据野生型（Col-0）中H2Aub的分布，设计覆盖几乎所有H2Aub富集区域的RNA探针。通过Capture Hi-C的方法，用探针抓取与H2Aub富集区域相关的染色质互作并进行分析。研究结果显示，H2Aub富集区域更倾向于与同样富集H2Aub的区域在空间上互作，进而形成染色质环（H2Aub loop）。根据是否同时富集H3K27me3，H2Aub富集区域可以被进一步划分为只存在H2Aub修饰（only-H2Aub）和两者共修饰（H2Aub/H3K27me3）的区域。本研究发现only-H2Aub区域并未单独形成结构，其在空间上并不排斥H3K27me3，而是与H2Aub/H3K27me3区域共同形成了PcG Hub的结构。根据是否形成染色质环以及形成何种染色质环，H2Aub富集区域可以被进一步划分，比较其上基因表达，发现H2Aub loop的形成会抑制基因表达，虽然H3K27me3依然起到主要的抑制作用（图1 A）。
此后，本研究使用PRC1复合体中两类泛素连接酶的突变体（bmi1a/b/c和ring1a/b），同样进行H2Aub的Capture Hi-C实验，观察在H2Aub受到破坏时，H2Aub loop的变化情况。本研究比较发现，H2Aub的破坏，间接导致H3K27me3水平的下降，伴随着H2Aub loop的大量消失。突变体中染色质环的消失与其锚点处修饰水平的下降有显著相关性。除此以外，野生型中锚点处修饰水平在突变体中变化程度大的染色质环，更容易丢失。这些结果均表明适当的修饰水平（H2Aub和H3K27me3）对H2Aub loop的维持是必须的。比较不同种类锚点上基因表达的变化，本研究进一步证明，H2Aub loop协同H2Aub/H3K27me3抑制基因的表达，并且修饰和染色质环的共同丢失，会加剧基因的异常激活（图1 B）。
最后，本研究发现正常的H2Aub loop结构能够阻止H2Aub富集区域与异染色质区域之间的异常互作，以及H3K27me3富集区域之间的异常聚集。本研究还发现了bmi1a/b/c和ring1a/b两类泛素连接酶突变体内H2Aub loop结构变化的不同，暗示BMI1s和RING1s存在一定的功能差异（图1 C）。
图1 PRC1介导的H2Aub loop的形成机制及功能。A. H2Aub富集区域之间优先相互作用，形成H2Aub loop，并且不排斥H3K27me3，从而在空间上形成PcG Hub结构。H2Aub loop的形成抑制基因表达。B. H2Aub loop的维持需要适当的H2Aub/H3K27me3水平。H2Aub的破坏导致H2Aub loop的丢失，并加剧基因的异常激活。C. bmi1a/b/c和ring1a/b突变体内染色质环结构变化存在差异。
中文成人直播-黄色直播网址 周岳研究员为本文通讯作者。中文成人直播-黄色直播网址 博士生骆凌潇、杨敏琪，北京大学前沿交叉学科研究院博士生宋知涵，兰州大学生命科学中文成人直播 博士生刘亚丽为本文共同第一作者。中文成人直播-黄色直播网址 博士生肖苏芯和北京大学前沿交叉学科研究院博士生王鼎岳同样参与了工作。西班牙植物生物化学和光合作用研究所Myriam Calonje研究员、北京大学生命科学中文成人直播 何航研究员也为本工作做出了重要贡献。该研究得到科技创新2030-重大项目、国家自然科学基金、中国科中文成人直播 青年交叉团队、基因功能研究与操控全国重点实验室、中文成人直播-黄色直播网址 、北京大学-清华大学生命科学联合中心的资助。
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