植物组蛋白乙酰转移酶研究进展

冯 鹏，廖 菲，农 向

（乐山师范学院 生命科学学院，四川 乐山 614000）

0 引言

组蛋白修饰是表观遗传学中一种重要的调控形式[1- 2]，其在调节植物的生长发育、基因表达调控、非生物胁迫适应性等方面发挥着重要作用[3]。在真核细胞中，组蛋白的N 末端尾巴上会有多种翻译后修饰，包括乙酰化、甲基化、泛素化、磷酸化和SUMO 化等[4-5]。在不同类型的组蛋白修饰中，组蛋白的可逆乙酰化/去乙酰化似乎是染色质的激活状态和抑制状态之间相互转换的关键开关[6]。组蛋白H3（K9、K14、K18、K23 和K27）和H4（K5、K8、K12、K16 和K20）的N末端赖氨酸残基是植物中乙酰化的靶标[7]。通常，组蛋白的高程度乙酰化会放松染色质结构并与转录激活相关，而组蛋白的低程度乙酰化会诱导染色质的紧缩进而会导致基因转录的阻抑[8- 9]。

乙酰化过程涉及HATs 等多种酶将乙酰基从乙酰-CoA 转移到赖氨酸残基的ε-氨基上[8]。这种修饰不同于在翻译过程中发生的蛋白质氨基末端的N-α-乙酰化。在氨基侧链上添加乙酰基可以中和正电荷，改变氨基酸的整体大小，并改变局部疏水性。赖氨酸残基的乙酰化还会产生与其他蛋白质的结合位点，比如含bromodomain的蛋白质必须与乙酰化的赖氨酸特异性结合[10]。最后，乙酰化的赖氨酸可以与其他修饰相互作用，如与相同残基的修饰竞争或与相邻残基的修饰相互影响[11- 12]。

植物在其生命周期中会受到包括非生物和生物胁迫在内的各种环境因素的影响。此外，许多生物过程，如细胞分化、生长和发育等都受到环境因素的影响。在环境因素的影响下，多种核小体组蛋白翻译后修饰，如组蛋白乙酰化等是介导基因表达变化的重要机制，而组蛋白乙酰转移酶则是介导组蛋白乙酰化过程的关键酶。文中总结的植物组蛋白乙酰转移酶的研究进展为后续研究表观遗传信号传导途径以及探讨组蛋白乙酰化在指导作物分子育种方面提供了理论基础。

1 组蛋白乙酰转移酶的分类

根据氨基酸序列分析，植物HAT 可以分为四类：（a）p300/CREB（cAMP 响应元件结合蛋白）结合蛋白(CBP)家族的HAT，简写为HAC。（b）TATA-binding protein-associated factor(TAFII250)家族组HAT，简写为HAF。（c）General control nonrepressible 5-related N-terminal acetyltransferase(GNAT) 家族HAT，简写为HAG。（d）MYST 家族HAT包括MOZ、Ybf2/Sas3、Sas2 和Tip60，简写为HAM[13]。

在GNAT 组蛋白乙酰转移酶超家族中，GNAT 蛋白质从N-端至C-端顺序由C、D、A和B 组成的HAT 结构域组成[13]。此外，它还包含一个Arg/Gln-X-X-Gly-X-Gly/Ala 片段，该片段专门与乙酰-CoA 底物的识别和结合相关[14-15]。

MYST 家族HAT 也是由具有的独特的保守的HAT 结构域所定义的，其仅具有HAT 结构域的A 基序。MYST 结构域包含一个C2HC 锌指和一个与GNAT 超家族组蛋白乙酰转移酶相同的，典型乙酰-CoA 结合域同源的乙酰-CoA 结合位点。MYST 家族的个别成员还具有其他结构特征，例如chromodomains，PHD 和锌指[16]。

p300 及其紧密同源CBP（CREB 结合蛋白）首先被证明是乙酰转移酶的共激活因子。然而，对重组p300 和CBP 蛋白的进一步研究证实，这些蛋白确实是HAT，能够以几乎没有特异性的方式强力乙酰化所有四个核心组蛋白的氨基末端尾巴[17-18]。p300/CBP 代表一类独特的乙酰基转移酶，尽管它可能与其他HAT 密切相关。序列分析确定了与GNAT 基序A、B 和D 同源性有限的区域[17]。

TFIID 是TAFII即TATA 结合蛋白(TBP)相关因子的亚基之一，是组装RNA 聚合酶II 转录预起始复合物所需的因子之一[19]。研究表明，人类的TFIID-TAFII250 的同系物，果蝇的TAFII230 的同系物，酿酒酵母中的TAFII145/130 的同系物在体外具有HAT 活性[20]。发现重组果蝇TAFII230的HAT 活性，其可乙酰化组蛋白H3（优先在K14 上，如GCN5）和H4。像GCN5 和p300/CBP 一样，TAFII250 也有一个bromodomain（果蝇TAFII230 有两个），但是该结构域不是其HAT 活性必需的[20- 21]。

在酿酒酵母(S.cerevisiae)中，已发现并鉴定了几种HAT复合物，例如SAGA和ADA复合物[22]。这些复合物其中之一还含一些Spt 蛋白，被称为SAGA(Spt-Ada-Gcn5-acetyltransferase)[23]。

尽管HAT 复合物已在动物和酵母中鉴定，但对植物中的复合物知之甚少。尽管如此，基因组分析表明拟南芥基因组编码与酵母ADA2 同源的两个ADA2 蛋白（ADA2a 和ADA2b）。在不同的植物中也鉴定出越来越多的HAT，例如拟南芥具有 12 个 HAT 蛋白[13]。水稻中具有8 个HAT 蛋白[24]。大麦(Hordeum vulgare)具有3 个HAT 同源基因[25]。在葡萄(Vitis vinifera)[26]、番茄(Solanum lycopersicum)[27]和玉米(Zea mays)[28]中也有HAT 被鉴定出来。

2 组蛋白乙酰化在植物发育过程中的作用

种子发育是被子植物生命周期中的关键过程[29]。在拟南芥中，两个MYST 家族组蛋白乙酰转移酶 HAM1 和HAM2 的功能丧失会导致雄配子体和雌配子体产生严重缺陷[30]。在水稻中，OsflHAT1编码GNAT-like H4 乙酰基转移酶，能提高谷物的质量、产量和植物生物量[31]，揭示了OsflHAT1 在种子发育中的作用。在玉米中，ZmGCN5 与衔接蛋白ZmADA2 和bZIP 转录因子ZmO2 相互作用，以促进种子成熟过程中的胚乳发育[32]。综上所述，组蛋白乙酰化在调节高等植物的种子发育中起关键作用。

从发芽到开花的整个生命周期中，光调节的基因表达已成为研究植物转录调节机制的范例[33]。光信号由感光器感知，以调节基因表达和植物生长。有证据表明，组蛋白乙酰化修饰参与了光响应基因的表达。例如，豌豆(Pisum sativum)质体蓝蛋白基因PetE的光调节表达与组蛋白H3 和H4 的乙酰化尤其相关[34-35]。在玉米中，光会特异性地增加C4 特异性磷酸单磷酸丙酮酸羧化酶(C4-PEPC)的启动子和转录区中组蛋白H4K5 和H3K9 的乙酰化水平，表明组蛋白乙酰化在植物中光响应基因的活化中起重要作用[36]。在拟南芥中，光响应基因的组蛋白H3K9 的乙酰化受到光照调节[37]。研究表明，光合作用基因的激活与组蛋白H3K9 和H3K27 标记对光响应的乙酰化的动态变化有关[38]。拟南芥GCN5和HAF2的突变导致光响应基因表达降低，而HDA19的突变则诱导相反的作用[39- 40]。对GCN5 靶标的全基因组分析结果显示，早期的光响应基因的表达需要GCN5[41]。

拟南芥中hdac和hdt突变体的表型和遗传分析表明，组蛋白乙酰化在光调节发育过程中起作用。拟南芥幼苗中HDA19基因的功能丧失导致短胚轴表型，而GCN5基因的突变在红光、远红光和蓝光条件下诱导相反的表型，这表明在光形态发生中，HDAC 和HAT 成员可能拮抗调节胚轴的伸长[40]。此外有研究表明，在明暗切换过程中需要HDA19 通过降低组蛋白H3K9 和H3K14的乙酰化水平来抑制PHYA[42]，表明HDA19 可能通过直接抑制植物色素的转录来调节下胚轴的生长。

植物已经进化出在黑暗中调节叶绿素生物合成水平的有效机制。植物色素相互作用因子3(PIF3)是抑制多种植物色素下游的黄化幼苗中叶绿素生物合成的关键转录因子[43]。最近的一项研究表明，HDA15可以抑制叶绿素的生物合成[44]。PIF3 将HDA15 募集到叶绿素生物合成和光合作用基因（例如GUN5、LHCB2.2、PSBQ和PSAE1）的启动子，并通过降低组蛋白H4 乙酰化水平来抑制这些基因的转录[44]。

叶片原基的起始是通过从茎尖分生组织的侧翼募集细胞来建立的。茎尖中的分生组织活性部分由I 类KNOX基因决定，包括KNAT1、KNAT2和STM[45]。拟南芥中的MYB 型转录因子ASYMMETRIC LEAVES1(AS1)和LOB 结构域蛋白AS2 介导了KNOX基因的表达[46]。用HDAC 抑制剂处理as1和as2突变体会导致背面的丝状叶片退化，这表明组蛋白去乙酰化在叶片发育过程中可能起作用。此外，hda6 as1双突变体比hda6和as1单突变体展现出更严重的锯齿状叶片和短叶柄表型，表明HDA6 在叶片发育中也发挥了作用[47]。研究表明，HDA6和AS1 在控制叶片发育中相互作用并共抑制KNOX 基因的表达[47]。这些发现表明，组蛋白脱乙酰基酶HD2A、HD2B、HDA6 和HDA19 是拟南芥叶片发育的关键调节剂。

根系对植物的生长和存活至关重要，因为它在吸收水分和养分方面起重要作用。在拟南芥中，对hdac突变体的分析表明，HDA18 是通过调节一组激酶基因来指导根表皮命运的关键成分[48- 49]。最近的一项研究还确定HDA6 能作为根表皮细胞模式的新调节因子[50]。HDA6 改变了ETC1 和GL2 的组蛋白乙酰化状态，从而影响了决定表皮细胞命运的核心转录因子网络的表达[50]。此外，hda19，gcn5和haf1的突变体也表现出改变的表皮表型[51]。这些发现表明，组蛋白乙酰化在决定拟南芥根表皮细胞模式的调节系统中起着不可或缺的作用。

除了在根表皮细胞分化中发挥作用外，HDACs/ HAT在初生根伸长中也起着至关重要的作用。GCN5 上调了根干细胞转录因子PLETHORA1(PLT1)和PLT2 的表达，对于根干细胞的生态位维持至关重要。用HDAC 抑制剂丁酸钠和TSA 处理可显著抑制初生根伸长和PIN1 蛋白降解，表明HDAC 在初生根发育中的作用。此外，水稻中过表达OsHDAC1 通过使组蛋白H3 和H4 上的多个赖氨酸残基脱乙酰化而降低OsNAC6的表达，并产生较长根长的表型[52]。

在被子植物生命周期中，从营养期过渡到生殖期的时机是生殖成功的关键。FLOWERING LOCUS C(FLC)是开花的关键负调控因子[53]，而FLOWERING LOCUS T(FT)是促进开花的成花素的关键成分[54]。HDA6 直接与组蛋白去甲基化酶FLD 相互作用，并通过组蛋白脱乙酰化和去甲基化抑制FLC和另外两个MADS-box基因的表达，MADS AFFECTING FLOWERING 4(MAF4)和MAF5[55]。与hda6 突变体类似，hda6 突变体也有晚开花表型[56]，这是因为HDA5、HDA6、FLD和FVE 存在于同一蛋白复合物中，通过组蛋白去乙酰化和H3K4 去甲基化来抑制FLC的表达。然而，hda9突变体在短日照条件下表现出早期开花表型[57]。HDA9 通过组蛋白去乙酰化直接抑制FT上游激活子AGOMOUS-LIKE 19(AGL19)的表达，表明组蛋白乙酰化或脱乙酰化在花期调控中发挥着关键作用。

3 组蛋白乙酰化在植物应答环境胁迫反应中的作用

植物在其生命周期中会受到各种环境因素的刺激，在这些刺激下，介导基因表达变化的一个重要机制是包括组蛋白乙酰化在内的核小体组蛋白翻译后修饰[58]。组蛋白修饰可通过形成表观遗传调控网络来应答环境胁迫反应[58]。组蛋白乙酰化参与植物生长发育过程中的温度调节。在水稻中，冷胁迫会抑制OsHAC701、OsHAC703、OsHAC704和OsHAG703的表达[24]。在玉米中，冷处理高度诱导HDACs 的表达，导致组蛋白H3和H4 的整体去乙酰化[59]。在拟南芥中，ADA2b是一种转录辅激活因子，已被证明与GCN5 和冷诱导转录因子CBF1(C-repeat/DRE-binding factors)[60]在冷胁迫期间调节cold-regulated 即COR基因表达[61-62]。HDA6 调节了几种冷应激诱导基因的表达，并在调节冷适应过程中起着关键作用。经过冷驯化后，与野生型植物相比，hda6突变株表现出较低的抗冻性[63]。这些结果表明，植物冷驯化过程受HDA6 介导的组蛋白脱乙酰化调控。

组蛋白乙酰化也可参与植物对其他非生物胁迫的反应。gcn5突变体对ABA 表现出高度的敏感性，说明拟南芥GCN5 是植物适应ABA 介导的胁迫所必需的[64-65]。GCN5 也能与磷酸酶2C蛋白(AtPP2C-6-6)相互作用，gcn5突变体中逆境诱导基因的表达量出现上调[66]。SGF29a基因（GCN5 的一个亚基）的缺失导致其产生对盐胁迫耐受的表型[67]。ada2b功能缺失突变体中H3和H4 的乙酰化水平降低[67]。

在水稻中，OsHAC701、OsHAC703、OsHAG702、OsHAG703和OsHAM701的转录水平受ABA诱导上调[24]。干旱也能诱导OsHAC703、OsHAG703、OsHAM701和OsHAF701的表达[68]。在大麦中，3种HvGNAT 基因（HvMYST、HvELP3和HvGCN5）的表达都能受ABA 诱导[25]。在玉米中，NaCl 处理后ZmHATB和ZmGCN5的表达量增加，同时组蛋白H3K9 和H4K5 的乙酰化水平增加[69]。这些结果表明HAT 在植物激素和应答非生物胁迫反应中发挥着重要作用。拟南芥中HD2A、HD2B、HD2C和HD2D的表达受到盐胁迫和ABA 的抑制[70-71]。ABA 和盐胁迫可使非生物胁迫响应基因的H3K9K14 乙酰化和H3K4 三甲基化水平增加，但H3K9 二甲基化水水平减少[72]。HDA19 通过与AtERF7 和AtSin3 形成转录抑制复合物来调节ABA 和干旱响应基因，从而调控非生物胁迫响应基因[73]。

在水稻中，盐处理诱导OsHAC701、OsHAC703、OsHAC704和OsHAG703的表达[24]。然而，盐和PEG处理抑制了HD2型HDACOsHDT701在水稻中的表达[74]。在过表达OsHDT701的水稻中，降低了种子萌发过程中对盐和渗透胁迫抗性，这与组蛋白H4 乙酰化减少和GA 生物合成基因表达下调有关[74]。OsSRT1[编码nicotinamide adenine dinucleotide(NAD+)-依赖的HDAC] 的沉默导致许多与应激和代谢相关的基因的H3K9 乙酰化水平相对较高[75]。在玉米中，甘露醇处理后，通过增加Dehydration-Responsive Element Binding Protein 2A(ZmDREB2A)基因启动子区域的组蛋白H3K9 和H4K5 乙酰化修饰的富集，显著诱导ZmDREB2A的表达[76]。在野大豆(Glycine soja)中，MYST 家族组HAT 成员GsMYST1 在植物应答盐胁迫中发挥重要作用（暂未发表）。在毛果杨(Populus trichocarpa)中，干旱胁迫条件下，PtAREB1 转录因子的表达受到诱导，AREB1与ADA2b-GCN5 组蛋白乙酰转移酶复合物能够相互作用，并通过与ABRE 基序结合将蛋白质招募到PtrNAC006、PtrNAC007和PtrNAC120基因，从而增强H3K9ac 和RNA Pol II 富集，以激活PtrNAC006、PtrNAC007和PtrNAC120基因的表达[77]。

4 展望

组蛋白乙酰化状态能够影响染色质的结构、基因的转录，调节多种生命活动，进而在植物的生长、发育和胁迫反应过程中发挥重要作用。然而我们对组蛋白乙酰转移酶相互作用的蛋白的鉴定还较少，还不能较深入了解组蛋白乙酰化在各种生物过程中的作用机制，尤其是在部分农作物如大豆(Glycine max)。

因此，我们还需要进一步的研究来确定其他的组蛋白乙酰转移酶的相互作用蛋白及其在植物中的靶点，这个过程就需要利用酵母双杂交筛选cDNA 文库或者免疫共沉淀-质谱连用等方法来寻找与组蛋白乙酰转移酶互作的蛋白。这些互作蛋白通常是转录因子，其被认为是擦除器或书写器招募者的基本组成部分。因此，转录因子介导的模型是迄今为止被广泛接受的模型。而对于与组蛋白乙酰转移酶互作的转录因子的深度研究就需要利用ChIP-seq(染色质免疫共沉淀-测序)在基因组中广泛寻找靶标，然而对有些植物而言添加标签构建稳定的过表达株系较困难，可以尝试利用原生质体瞬时转染技术，将该基因在原生质体中瞬时表达后，进而进行ChIP。而后利用ChIP-qPCR 探讨乙酰化修饰在靶基因上的分布，进而获得组蛋白乙酰转移酶复合物，这也有助于揭示植物组蛋白乙酰化介导的转录调控的分子机制。

对组蛋白乙酰转移酶活性的研究现在也有所欠缺，可以探讨某些蛋白激酶是否能磷酸化组蛋白乙酰转移酶进而激活其功能。

由于表观遗传因子往往与多种蛋白质形成复合物，并通过不同的表观遗传标记调控不同的生物过程，当表观遗传因子的酶活性受到抑制时，可以观察到多效性效应。比如相关化合物的使用，如组蛋白去乙酰化酶(HDAC)抑制剂，可以作为抑制表观遗传元件活性引起的多效性效应，并选择性地提高对非生物胁迫的耐受性的潜在方法。