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水稻团队揭示植物细胞能量代谢与表观遗传修饰共同调控细胞分裂的新机制
作者:徐秋涛编辑:彭士宁审核:赵毓发布时间:2023-06-08

组蛋白乙酰化作为蛋白质翻译后修饰,主要由组蛋白乙酰转移酶(Histone acetyltransferase, HAT)和组蛋白去乙酰化酶(Histone deacetylase, HDAC)动态调控,并且受生物细胞中乙酰CoA代谢水平的影响。乙酰CoA作为一种反映细胞能量状态的重要中间代谢产物,主要是由糖酵解途径中的柠檬酸裂解酶(ATP citrate lyase, ACL)裂解柠檬酸产生。近期研究表明,ACL调控乙酰CoA的水平可以介导H3多个位点(H3K9/14/27)的乙酰化修饰状态进而在肌细胞分化中起着重要调控作用。然而,代谢酶ACL是如何维持细胞微环境中局部乙酰CoA浓度以及参与组蛋白乙酰化修饰调控的,目前还不是特别清楚。

近日,ju11net九州体育作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室水稻团队周道绣教授课题组在国际期刊Nature Communications在线发表了题为“ACL and HAT1 form a nuclear module to acetylate histone H4K5 and promote cell proliferation”的研究论文,揭示了植物细胞中能量代谢与表观遗传修饰调控细胞分裂的分子机制(图1)。

图1. 水稻细胞分裂过程中组蛋白乙酰化修饰的调控机制

图1. 水稻细胞分裂过程中组蛋白乙酰化修饰的调控机制

为了探究能量代谢中间产物乙酰CoA对组蛋白修饰的调控,作者利用CRISPR/Cas9技术创建了对水稻ACL A家族成员的突变体。表型考察发现,acla2胚和胚乳发育迟缓、胚乳游离核的数目显著减少,同时根分生组织区细胞数目减少。这表明A,CLA2的功能缺失阻滞了早期胚乳和根分生组织区的细胞分裂进程。为了一步探究ACL的活性是否会影响组蛋白乙酰化,作者对acla2突变体进行了乙酰CoA含量测定,结果显示,细胞核中乙酰CoA水平显著降低并导致组蛋白H3K14 和H4K5位点的乙酰化修饰水平显著下降。这表明ACLA2突变会通过降低细胞核中乙酰CoA浓度进而影响组蛋白特异位点的乙酰化修饰水平。

ACLA2是否能够通过选择性调控组蛋白乙酰转移酶的酶活进而参与特定位点的组蛋白乙酰化修饰调控?作者通过酵母双杂交实验筛选到与ACLA2相互作用的组蛋白乙酰转移酶HAT1(HAG704),并通过一系列生化实验也证实在水稻体内的互作。接着创建了hag704单突以及hag704 alca2双突变材料,表型考察显示hag704具有与acla2类似的种子发育缺陷和根生长异常,且双突变体也呈现出与单突变体相似的特征。这表明二者共同参与了胚乳及根分生组织区细胞分裂的调控。为了进一步解析ACLA2和HAG704相互作用的分子机制,Western Blot及体外酶活实验发现HAG704特异的调控组蛋白H4K5和H4K16位点乙酰化,且ACLA2通过与HAG704互作促进了HAG704在H4K5位点的酶活。转录组和CUT&Tag数据分析也表明HAG704和ACLA2共同调控了胚乳游离核中大量相同基因组位点的H4K5ac修饰水平,其中包括淀粉或葡萄糖生物合成以及其他能量代谢基因。此外,细胞周期分析结果表明ACLA2和HAG704介导的H4K5位点的乙酰化也是DNA复制所必需的。

综上所述,该研究揭示了水稻中柠檬酸裂解酶ACL与组蛋白乙酰转移酶HAG704之间的相互作用机制,并发现它们在特定基因组区域中建立和维持乙酰辅酶A浓度,进而调控组蛋白乙酰化和细胞分裂。这一发现拓展了我们对代谢酶参与表观修饰调控的认识,并揭示了植物细胞中能量代谢与细胞分裂之间复杂的耦合机制,为进一步探索能量代谢和组蛋白乙酰化在植物生长发育调控中的作用机制提供了重要线索。

本研究得到国家自然科学基金创新群体项目、重点项目和青年项目的资助,ju11net九州体育生命科学技术学院、湖北省洪山实验室和作物遗传改良全国重点实验室徐秋涛博士和博士研究生岳亚萍为论文共同第一作者,周道绣教授为文章通讯作者,赵毓教授也参与本研究工作。

英文摘要:

Acetyl-CoA utilized by histone acetyltransferases (HAT) for chromatin modification is mainly generated by ATP-citrate lyase (ACL) from glucose sources. How ACL locally establishes acetyl-CoA production for histone acetylation remains unclear. Here we show that ACL subunit A2 (ACLA2) is present in nuclear condensates, is required for nuclear acetyl-CoA accumulation and acetylation of specific histone lysine residues, and interacts with Histone AcetylTransferase1 (HAT1) in rice. The rice HAT1 acetylates histone H4K5 and H4K16 and its activity on H4K5 requires ACLA2. Mutations of rice ACLA2 and HAT1 (HAG704) genes impair cell division in developing endosperm, result in decreases of H4K5 acetylation at largely the same genomic regions, affect the expression of similar sets of genes, and lead to cell cycle S phase stagnation in the endosperm dividing nuclei. These results indicate that the HAT1-ACLA2 module selectively promotes histone lysine acetylation in specific genomic regions and unravel a mechanism of local acetyl-CoA production which couples energy metabolism with cell division.

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-023-39101-4#peer-review

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