多梳蛋白复合体PRC2调控水稻发育的研究进展

赵靖泽， 杨红春

(武汉大学生命科学学院 杂交水稻国家重点实验室，湖北 武汉 430072)

真核生物的DNA缠绕在组蛋白八聚体上形成核小体，核小体是染色质的基本组成单位。细胞核中，染色质进一步组装、折叠形成染色质的高级结构，这种致密结构阻碍了DNA的复制、转录等过程。在长期的进化过程中，生物体内形成多种蛋白复合体，能够在组蛋白上引入甲基化、乙酰化和泛素化等共价修饰，招募染色质重塑复合体，改变染色质的可及性，实现基因转录的动态调节。这种调控方式不依赖于核苷酸序列的改变，所产生的影响在一定条件下可以通过细胞分裂和DNA复制遗传到子细胞，称之为表观遗传调控。

多梳蛋白复合体PRC2最先在果蝇中发现，是表观调控的重要组分。PRC2通过催化组蛋白H3第27位赖氨酸的三甲基化抑制基因的表达。PRC2由4个核心组分构成，分别是E(z)(enhancer of zeste)、Su(z)12(suppressor of zeste 12)、ESC(extra sex combs)以及Nurf55(nucleosome remodeling factor 55)[1]。其中，E(z)具有甲基转移酶结构域[2]，Su(z)12与ESC亚基可以提高E(z)的甲基转移酶活性，PRC2的甲基转移酶活性依赖于E(z)、Su(z)12和ESC，三者缺一不可[3]。E(z)与核小体的结合依赖于Su(z)12和Nurf55的功能[3-4]。PRC2组分在植物中高度保守，模式植物拟南芥中，相关研究已经比较充分。近年来，水稻中PRC2组分及其功能的研究也有一定的进展。

1 拟南芥PRC2组成及功能概述

拟南芥具有果蝇PRC2各组分的同源蛋白，包括E(z)同源蛋白MEA(MEDEA)、CLF(curly leaf)和SWN(swinger)[5-7]，Su(z)12同源蛋白FIS2(fertilization independent seed 2)、VRN2(vernalization 2)和EMF2(embryonic flower 2)[8]，ESC同源蛋白FIE(fertilization independent endosperm)[9]以及Nurf55同源蛋白MSI1(multicopy suppressor of Ira 1)[10]。目前，拟南芥中发现了3种不同形式的PRC2复合体，在发育过程中发挥着不同的功能，其中，FIS-PRC2由MEA、FIS2、FIE和MSI1组成，调控胚乳发育[9-12]；VRN-PRC2复合体包含SWN/CLF、VRN2、FIE和MSI1，通过抑制FLC的表达促进植物开花[13-15]；EMF2-PRC2复合体也由4个蛋白组成，分别是CLF、EMF2、FIE和MSI1，调控植物茎的发育和开花等发育过程[8,16]。此外，FIE也能调控叶片的发育[17]。

2 水稻PRC2组成及功能概述

水稻是全球最重要的粮食作物之一，产量关系到世界一半人口的吃饭问题。水稻的产量与自身的生长发育状态息息相关，因此，研究水稻生长发育的调控机制，对培育优质高产水稻具有重要意义。研究表明，PRC2在水稻整个生长发育过程中扮演重要的角色。水稻中有6个PRC2组分的同源蛋白，分别是ESC同源蛋白OsFIE1和OsFIE2，Su(z)12同源蛋白OsEMF2a和OsEMF2b，以及E(z)同源蛋白OsCLF和OsSET1。这些组分在水稻发育的各阶段发挥着重要的调控作用，调节水稻的株高、育性以及种子发育等生物学进程。

2.1 OsFIE1和OsFIE2

水稻中PRC2的组分OsFIE1与OsFIE2是ESC的同源蛋白，二者具有72%的氨基酸序列相似性[18]，然而二者在表达模式与表达量上有着明显的区别。其中，OsFIE1在胚乳中特异表达并富集于内种皮，OsFIE2在水稻各组织中均有表达。胚乳中，OsFIE1的表达量仅为OsFIE2的4%[19]。

OsFIE1和OsFIE2通过调控水稻种子贮藏物质合成代谢相关基因的表达，影响水稻胚乳中贮藏物质的合成，进而调控种子发育。与野生型相比，OsFIE1的T-DNA突变体种子更小且质量减轻。OsFIE1表达量降低导致种子中贮藏蛋白含量降低，谷蛋白合成基因GluA1(glutamate A1)、GPA1(glutelin precursor accumulation 1)和脂质转运相关基因LTPL82(lipid transfer protein-like 82)、LTPL83表达水平降低[20]。OsFIE2-RNAi株系和OsFIE1突变体具有相似的表型，表达量下调程度较轻的株系表现为饱满种子数量减少，千粒重减轻；表达量下调较多的株系无法产生可育后代。进一步研究表明，OsFIE2表达量降低同样导致种子中醇溶谷蛋白含量减少，GluA1表达下调。此外，种子中淀粉含量减少，编码淀粉合成限速酶的基因AGPS2b(ADP-glucose pyrophosphorylase small subunit 2b)表达水平降低[19]。生化研究表明，OsFIE1与E(z)同源蛋白OsCLF和OsSET1直接互作，形成OsFIE1-PRC2复合体；OsFIE2与OsSET1、OsCLF和OsEMF2b形成OsFIE2-PRC2复合体[19-20]。这些研究暗示水稻受精后，OsFIE1-PRC2和OsFIE2-RPC2可能通过各自的直接靶标基因影响贮藏物质合成代谢相关基因的表达，间接调控种子中包括蛋白质和淀粉在内的贮藏物质的积累。目前这两种PRC2复合体的具体组分、功能发挥的机制仍有待进一步研究。

OsFIE1和OsFIE2在调控水稻种子发育方面的功能并不完全相同。OsFIE1-RNAi株系表现为种子发育延迟，而OsFIE2-RNAi株系的种子存在休眠缺失，提前萌发的现象[21]。OsFIE2表达水平的降低除了导致种子饱满度的下降，还会降低植株的育性。OsFIE2-RNAi株系的花粉数量减少且多数花粉不育，正常受精的子房在后续的发育过程中，部分不能发育成胚或胚发育停滞于球形期[22]。

OsFIE2在水稻的营养生长阶段也发挥着重要作用。在叶片发育过程中，OsFIE2特异性调控维管束的发育，当OsFIE2表达水平降低时，维管束细胞过度生长、维管束不均等发育，植株叶鞘卷曲[22]。在水稻的根发育方面，OsFIE2-RNAi株系表现为初生根伸长生长提前终止、侧根过度生长。在根尖分生组织处，QHB(quiescent-center-specific-homeobox)的表达量低于野生型植株[22]。QHB是一个水稻WUS类基因，在根尖特异性表达，维持根尖分生组织干细胞状态[23]。

2.2 OsEMF2a和OsEMF2b

EMF2是PRC2组分Su(z)12的同源蛋白，在二倍体禾本科植物中高度保守。水稻中有两个EMF2的同源蛋白：OsEMF2a和OsEMF2b，都具有组成型表达的模式[24]。

OsEMF2a在水稻受精后表达丰度增高，调控种子发育。osemf2a有胚发育停滞、种子内贮藏物质合成缺陷和胚乳细胞化进程延迟的表型，最终导致育性完全丧失。osemf2a胚的发育多数停滞在球形期，能够继续发育的胚会因为胚乳发育异常而丧失活力。osemf2a的胚乳中糖类含量增加，蛋白和淀粉的含量显著减少，呈胶状而非乳状或糊粉状。并且突变体的颖花中细胞分裂素过量积累，导致细胞周期异常活跃，胚乳细胞化延迟。基因表达分析的结果表明，AGPS2、AGPL2(ADP-glucose pyrophosphorylase large subunit 2)和OsSSIIa(Oryzasativastarch synthases IIa)等种子淀粉合成关键基因在突变体中表达量降低；OsLOGL1(Oryzasativalonely guy-like 1)、OsIPT2(Oryzasativaisopentenyltransferase 2)和OsRR5(Oryzasativaresponse regulator 5)等细胞分裂素相关基因表达量升高；但这些细胞分裂素信号转导相关基因的H3K27me3修饰水平并无明显变化，因此，OsEMF2a可能间接调控细胞分裂素的水平[24]。水稻胚乳的发育还受到印记基因的调控，父母本基因组所占比例也会影响胚乳的细胞化进程[25]。OsEMF2a是母系表达的印记基因，突变后导致水稻基因组中印记基因表达紊乱，影响胚乳的发育[26]。

OsEMF2b在水稻花发育方面有重要调控作用。水稻花发育E类基因对花分生组织的决定具有重要调控作用，OsMADS1(OryzasativaMADS-box transcription factor 1)促进水稻开花并通过调控花分生组织细胞正常分裂分化，维持花器官正常发育[27-29]；OsMADS34是穗发育调控基因，具有促进小穗分生组织形成、维持穗分生组织正常发育等功能[30-31]。在小花的形成过程中，OsMADS1抑制OsMADS34的表达，促进小穗分生组织向小花分生组织的转变[32]。突变体osemf2b中，OsMADS1表达量降低，OsMADS34表达量升高，颖花出现内外稃过度增殖、浆片形成叶状结构、心皮发育异常等花器官发育畸形的现象。osemf2b花器官命运决定缺陷可能与OsMADS1表达水平降低有关。同时在花器官发育过程中，OsEMF2b通过转录抑制的方式，影响OsMADS34的时空表达。OsEMF2b可能通过直接调控OsMADS34，控制其他与水稻花分生组织发育相关基因的表达，维持水稻花器官的正常发育[33]。

此外，突变体osemf2b只有少数花有雄蕊，且这些雄蕊发育不成熟或无法产生花粉，导致植株完全不育[33]。OsEMF2b的弱突变体表现出绒毡层不同程度地扩大以及小孢子部分不育。突变体中绒毡层细胞凋亡相关基因PTC1(persistent tapetal cell 1)表达水平降低[34-35]；花药、花粉发育相关基因OsEAT1(Oryzasativaeternal tapetum 1)、OsAIP1(Oryzasativaactin-interacting protein 1)和GAMYB(gibberellin regulated MYB)等基因表达量升高[35]。水稻和大麦具有保守的花粉发育调控通路[36]，且大麦中HvGAMYB基因表达水平上调导致植株育性降低[37]，暗示这些基因表达水平的变化可能直接导致了突变体雄性不育的表型。

OsEMF2b还可以调控水稻种子休眠和幼苗生长。种子中，休眠调控相关基因OsVP1(Oryzasativaviviparoua 1)的表达水平随OsEMF2b表达水平的升高而升高，在幼苗中则呈现出相反的表达趋势。通过分析OsVP1转录起始位点上游H3K27me3和H3K4me3修饰的水平发现，幼苗和种子中H3K27me3修饰水平都随OsEMF2b表达量的升高而升高，但在OsEMF2b过表达株系的幼苗中，H3K27me3/H3K4me3的比值更高。因此，OsEMF2b可能通过调节靶基因H3K27me3修饰和H3K4me3修饰的平衡来调控靶基因的表达[38]。

2.3 OsCLF和OsSET1

OsCLF与OsSET1是E(z)的同源蛋白[18]，二者的氨基酸序列具有52.1%的相似度[39]。OsCLF与OsSET1在水稻各组织中均有表达，OsSET1在叶片中的表达量明显高于其他组织，二者在水稻开花相关的发育过程中具有重要的调控作用。

OsCLF与OsSET1分别在长日照和短日照条件下调控水稻的花期。长日照条件下，OsCLF的表达水平高于短日照条件，对水稻开花具有抑制作用。相比于野生型植株，OsCLF过表达株系中，开花促进基因Ehd1(early heading date 1)、Hd3a(heading date 3a)、OsMADS14和OsMADS15表达量降低，开花抑制基因Hd1(heading date 1)表达量升高，花期延迟20～25 d；RNAi株系有10～16 d的早花现象。当OsSET1表达水平降低时，开花促进基因Hd3a、OsMADS14和RFT1(rice flowering locus t 1)的表达量也下调[40]。OsCLF与OsSET1通过改变这些靶标基因染色质的H3K27me3修饰水平，调节这些基因的表达，控制开花时间。长日照条件下，OsCLF在Hd1抑制基因OsLF(Oryzasativalate flowering)和开花促进基因Ehd1染色质的5′端富集，促进H3K27me3的积累，直接抑制OsLF和Ehd1的表达。H3K4me3是促进基因表达的表观修饰拮抗H3K27me3对基因的抑制作用。当OsCLF表达量升高时，开花抑制基因Hd1的H3K4me3修饰水平升高，OsLF和Ehd1的H3K4me3修饰水平降低。短日照条件下，Hd1促进水稻开花，OsLF抑制Hd1表达。OsSET1表达水平降低导致OsLF的H3K27me3修饰水平明显降低，表达量上调[40]。

OsCLF还参与调控水稻穗的发育。OsCLF表达量升高，细胞分裂素降解相关基因Gn1a/CKX2(grain number 1a/cytokinin oxidase 2)染色质的H3K27me3修饰水平上调，抑制该基因的表达，使细胞分裂素在花分生组织中积累，促进水稻穗的发育[41-42]，植株表现为穗初级分枝以及种子数增多。JMJ703是H3K4me3的去甲基酶与OsCLF协同作用，通过调节H3K27me3与H3K4me3的水平，参与对Gn1a/CKX2的表达调控[42]。近年来研究发现，OsCLF通过维持淀粉合成基因OsAGPL3和OsBEI(Oryzasativastarch branching enzyme I)的H3K4me3-H3K27me3平衡以及淀粉酶基因OsSSIIa、OsBmy4(Oryzasativaβ-amylase 4)和OsBmy9的H3K9ac-H3K27me3平衡来维持水稻胚乳的正常发育[43]。这些研究表明，OsCLF可以通过影响H3K27me3修饰与其他表观修饰的稳态，调控靶基因的表达，进而维持水稻的正常发育。

在水稻的营养生长阶段，OsCLF、OsEMF2b和OsFIE2通过介导H3K27me3修饰，调控激素相关基因的表达，调节植株内源激素水平，参与植株形态建成。在突变体osemf2b中，GA分解代谢相关基因OsGA2ox5(OryzasativaGA2 oxidase 5)和OsGA2ox6染色质5′端的H3K27me3修饰水平明显降低，表达量升高。OsCLF-RNAi与OsFIE2-RNAi株系中，OsCLF和OsFIE2表达量降低，GA相关基因的表达趋势与osemf2b相近[44]，导致GA水平下降，植株变矮。

3 研究展望

PRC2对水稻的调控作用贯穿水稻的各个生长发育阶段，是维持水稻正常生长发育的重要组分。在营养生长阶段，OsFIE2调控水稻根和维管束的发育，并与OsCLF和OsEMF2b共同调控水稻的株高。在生殖生长阶段，OsCLF与OsSET1分别在长短日照条件下抑制和促进水稻的开花。OsEMF2b在维持水稻花器官正常发育以及调控植株育性方面具有重要作用。此外，几乎所有PRC2组分均参与调控水稻种子贮藏物质的合成和代谢。

PRC2通过对靶基因进行H3K27me3修饰，或者维持H3K27me3与其他表观修饰在靶基因染色质的稳态调控水稻发育。在发育过程中，PRC2各组分之间可以组成不同的复合体发挥功能，如OsFIE1-PRC2和OsFIE2-PRC2共同调控种子贮藏物质的合成代谢。但在OsFIE1-PRC2复合体中尚未鉴定到与OsFIE1存在直接相互作用的Su(z)12同源蛋白，Su(z)12组分可能通过与OsFIE1-PRC2复合体中的其他组分相互作用参与复合体的形成。

现有的研究成果表明，PRC2在维持水稻正常生长发育方面发挥了重要作用，以及PRC2的调控机制具有多样性，但水稻中PRC2的招募机制仍待进一步探索。已有研究表明，PcG(polycomb group)蛋白复合体与靶基因的结合需要DNA结合蛋白的参与。在果蝇中，PcG蛋白可以与特定的转录因子结合，如GAF(GAGA factor)[45-46]和Pho(pleiohomeotic)[47-48]，结合靶基因染色质，发挥功能。靶基因染色质能够与PcG蛋白结合并导致转录沉默的序列被称为PRE元件(polycomb response element)。虽然PRE元件的序列不保守，但转录因子招募PcG蛋白的机制是保守的[49]。因此，寻找并研究具有PRC2招募功能的转录因子，有利于阐明水稻中PRC2调节特定发育过程的机制，从而更加精准、全面地解释PRC2对水稻发育的调控作用。