生物體的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程受到生物鐘的調(diào)控，擬南芥生物鐘核心組分涉及到CCA1（CIRCADIAN CLOCK ASSOCIATED 1）和LHY（LATE ELONGATED HYPOCOTYL）兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，及其靶基因TOC1 （timing of CAB expression 1 ）【1】。CCA1和LHY直接結(jié)合到TOC1啟動(dòng)子上抑制TOC1的表達(dá)【2】，TOC1通過(guò)抑制PRR（PSEUDO-RESPONSE REGULATOR）從而間接的促進(jìn)CCA1和LHY的表達(dá)，TOC1也可以直接結(jié)合到CCA1和LHY的啟動(dòng)子上抑制它們的表達(dá)【3】。生物鐘途徑還包括了GI以及ELF4–ELF3–LUX等組分【4】，它們共同組成了一個(gè)緊密連鎖的轉(zhuǎn)錄翻譯負(fù)反饋調(diào)控循環(huán)。
前期研究已表明了組蛋白修飾和生物鐘基因表達(dá)間的相關(guān)性，尤其是轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的組蛋白H3K4me3 和 H3K9/14ac修飾與CCA1，LHY，TOC1表達(dá)的節(jié)律性變化密切相關(guān)【5】。但生物鐘基因上組蛋白修飾變化的分子基礎(chǔ)以及生物鐘調(diào)控因子功能和組蛋白修飾之間的聯(lián)系一直以來(lái)都不清楚。
近日，美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Z. Jeffrey Chen教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)擬南芥生物鐘基因通過(guò)調(diào)控SDG2和JMJ14的表達(dá)來(lái)調(diào)控組蛋白修飾的節(jié)律性變化，從而調(diào)控生物鐘基因和相關(guān)輸出基因的表達(dá)。相關(guān)結(jié)果以Diurnal regulation of SDG2 and JMJ14 by circadian clock oscillators orchestrates histone modification rhythms in Arabidopsis為題發(fā)表在Genome Biology.上。
擬南芥組蛋白H3K4me3修飾受到組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶（ATX1, SDG2, SDG4, SDG25, SDG26）和組蛋白去甲基酶（JMJ14, JMJ15, JMJ18）的調(diào)控，其中SDG2和JMJ14的突變對(duì)全基因組水平的H3K4me3的影響最大【6】。研究者發(fā)現(xiàn)，SDG2和JMJ14的表達(dá)呈現(xiàn)晝夜節(jié)律變化，并且生物鐘因子CCA1和LHY間接地促進(jìn)甲基轉(zhuǎn)移酶SDG2表達(dá)，直接抑制去甲基酶JMJ14的表達(dá)，所以突變體cca1 lhy中總體H3K4me3水平顯著降低。而在sdg2突變體中CCA1和LHY基因5’區(qū)域H3K4me3水平降低，并伴隨著CCA1和LHY表達(dá)的降低，jmj14突變體中則有相反的變化趨勢(shì)。
圖1：生物鐘調(diào)控SDG2和JMJ14基因的表達(dá)
研究者進(jìn)一步研究了全基因組水平H3K4me3水平的晝夜節(jié)律變化。作為對(duì)照，研究者也研究了另一個(gè)轉(zhuǎn)錄激活標(biāo)記H3K9ac的變化。
Chip-seq結(jié)果表明，H3K4me3富集的位點(diǎn)中29%位點(diǎn)的H3K4me3呈現(xiàn)晝夜節(jié)律性變化，H3K9ac富集的位點(diǎn)中21%表現(xiàn)H3K9ac的晝夜節(jié)律性變化。進(jìn)一步結(jié)合GO分析和基因表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)，48% H3K4me3修飾呈節(jié)律性變化的基因位點(diǎn)其表達(dá)也呈節(jié)律性變化，而47% H3K9ac 修飾呈節(jié)律變化的基因其表達(dá)呈節(jié)律性變化，強(qiáng)烈暗示了H3K4me3和H3K9ac兩種修飾的變化與基因表達(dá)變化間的相關(guān)性。進(jìn)一步研究者探索了H3K4me3和H3K9ac修飾在生物鐘途徑中的作用，在作者所檢測(cè)的所有生物鐘基因中這兩種修飾均呈節(jié)律性變化，其中CCA1和LHY的H3K4me3和H3K9ac修飾峰值出現(xiàn)在黎明，而生物鐘傍晚因子TOC1的H3K4me3和H3K9ac修飾的峰值出現(xiàn)在正午。
關(guān)于基因表達(dá)和染色質(zhì)修飾的節(jié)律性變化的一個(gè)可能解釋是，生物鐘蛋白與染色質(zhì)修飾因子互作從而調(diào)控靶基因的染色質(zhì)修飾并影響靶基因的表達(dá)。研究者發(fā)現(xiàn)，33% CCA1所抑制的基因的H3K4me3的峰值出現(xiàn)在傍晚，20% CCA1所抑制的基因的H3K9ac修飾的峰值出現(xiàn)在傍晚；23% TOC1 靶基因的 H3K4me3的峰值出現(xiàn)在早晨，13%TOC1靶基因的H3K9ac修飾峰值出現(xiàn)在早晨，這與CCA1和TOC1分別抑制傍晚和早晨的生物鐘因子的結(jié)論相一致。研究者進(jìn)一步探索了CCA1三個(gè)靶基因的H3K4me3修飾的變化，在sdg2和jmj14突變體背景下，H3K4me3的富集程度分別顯著的下調(diào)和上調(diào)。這進(jìn)一步說(shuō)明，SDG2和JMJ14介導(dǎo)了CCA1靶位點(diǎn)H3K4me3的沉積。
圖2：組蛋白修飾調(diào)控關(guān)鍵生物鐘調(diào)控因子的表達(dá)
基于以上數(shù)據(jù)研究者提出一個(gè)整合生物鐘節(jié)律和染色質(zhì)修飾動(dòng)態(tài)變化的模型：CCA1和LHY通過(guò)上調(diào)組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶SDG2和下調(diào)組蛋白去甲基酶JMJ14來(lái)調(diào)控靶基因上的H3K4me3修飾，并調(diào)控下游基因的表達(dá)，從而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。綜上，該研究闡明了擬南芥H3K4me3修飾節(jié)律變化的分子基礎(chǔ)，明確了生物鐘核心因子對(duì)于靶基因表達(dá)調(diào)控的具體機(jī)制。
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