何新建课题组揭示COMPASS作为INO80染色质重塑复合物组件介导组蛋白H3K4甲基化

2021年7月16日，The Plant Cell在线发表了北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院何新建研究员课题组题为“COMPASS functions as a module of the INO80 chromatin remodeling complex to mediate histone H3K4 methylation in Arabidopsis”的研究论文。该研究发现COMPASS组蛋白H3K4甲基转移酶复合物的一个亚类作为INO80染色质重塑复合物组件，通过ATPase非依赖性方式介导的H3K4三甲基化来参与靶基因转录激活，进而调控拟南芥生长和开花。

研究背景

在真核细胞中，INO80染色质重塑复合物利用ATP水解产生的能量来改变染色质结构和染色质相关蛋白对DNA的可及性。INO80复合物中的所有辅助亚基组装在INO80的N端、HSA和ATPase这三个结构域上。尽管已知ATPase和HSA结构域及其相互作用的辅助亚基负责染色质重塑，但与INO80 N端结构域结合的辅助亚基如何调节染色质状态在很大程度上是未知的。在拟南芥中，INO80复合物对于DNA修复、组蛋白修饰、植物发育等至关重要。然而，目前对于其中发挥作用的亚基组成仍知之甚少。因此，本研究的主要目的是探索拟南芥INO80复合物的组分，并阐明其调控基因表达的功能机制。

研究结果

利用融合标签的INO80过表达拟南芥植株进行亲和纯化质谱（AP-MS）分析，鉴定出多个在真核生物中保守的INO80辅助亚基。AP-MS数据显示组蛋白H3K4甲基转移酶ARABIDOPSIS TRITHORAX4（ATX4）和ATX5也与INO80结合。已知ATX4/5属于含SET结构域的组蛋白甲基转移酶，通常存在于多亚基COMPASS复合物（组蛋白H3K4甲基转移酶COMPASS复合体）中，并作为酵母和后生动物中转录的主调控因子。另分析发现，除ATX4/5之外，其他附属亚基同样与INO80及其亚基结合，表明含ATX4/5的COMPASS复合物能够与INO80复合物互作，并可能作为INO80复合物的组件之一发挥功能。对AP-MS数据进一步分析验证发现，推定的含JmjC结构域的组蛋白去甲基化酶JMJ24作为COMPASS复合物组分，可同时与ATX4/5和INO80复合物结合。

与INO80及特定辅助亚基功能缺失突变体表型类似，jmj24单突、atx4/5双突和atx4/5 jmj24三突植株生长迟缓。此外，以上突变体在短日照（SD）条件下显示出明显早花表型，表明COMPASS复合物可作为INO80复合物的一个组件调控植株生长和开花时间（图1）。

图1. ATX4/5和JMJ24与INO80复合物的其他亚基协同作用以调控植株发育和开花时间

利用表达有INO80截短形式的转基因植株进行AP-MS分析以明确亚基组分结合的位置，结果发现含ATX4/5的COMPASS复合物及其他辅助亚基（INB1/2A/2B/3、NFRKB1/2/3和 UCH1/2）与INO80的N端结构域（NTD）结合。验证结果表明，ATX4/5-JMJ24-INO80互作模块对于INO80复合物整合所有COMPASS组分是必需的。而且蛋白水平检测发现由JMJ24介导的两复合物结合对于ATX4/5正常蛋白水平的维持必不可少。另外，JMJ24在INO80复合物中的功能并不依赖于其组蛋白去甲基化酶活性。

ino80-5突变体表型回补实验发现，过表达INO80 N端截短序列可部分回补ino80-5的生长迟缓表型，而其他截短序列的回补效果明显较弱，表明NTD能够独立于ATPase结构域促进植株营养生长，并延迟开花（图2）。RNA-seq分析表明，组装在INO80 NTD的INO80辅助亚基（COMPASS、NFRKB1/2/3和UCH1/2）能够以ATPase非依赖性方式调控基因的表达。染色质免疫沉淀结合ChIP-seq分析说明含ATX4/5的COMPASS模块与INO80 NTD结合后通过催化INO80靶基因的H3K4三甲基化（H3K4me3）来促进基因转录。

图2. INO80 NTD以ATPase非依赖性方式调控植株营养生长和开花时间

一图解文

含组蛋白H3K4甲基转移酶ATX4/5的COMPASS复合物通过JMJ24与INO80的N端结构域（NTD）结合，并以ATPase活性非依赖性方式催化INO80靶基因的组蛋白H3K4三甲基化（H3K4me3）来激活基因的表达。该COMPASS复合物与INO80复合物的其他NTD结合亚基形成NTD模块，共同促进植物生长，并抑制非诱导短日（SD）条件下的早熟开花（A）。含ATX4/5的COMPASS复合物缺失，INO80复合物的其他NTD结合亚基或INO80的NTD将导致植物在SD条件下的生长迟缓和早花表型（B）。