拟南芥组蛋白H3第三位苏氨酸磷酸化的功能研究

Post-translational modifcations of histone modulate the functional landscape of chromatin and impinge on many DNA-mediated processes. Although many progresses were done in other histone modifications like histone methylation, histone acetylation and so on, the phosphorylation of histone was poorly understood. Certain conserved residues on histone H3, namely Thr3, Thr11, Ser10 and Ser28, are phophorylated during the interphase or mitosis. Phoshorylation of histone H3 is important in transcriptional regulation with condensation and segregation of chromosome. However, many of kinases involved in events appear to evolve differently in metazoan and plants, on the other hand, the mechanistic function of amino acid also differ among the eukaryotes. Moreover, The function of specific histone phoshorylation, dependent on chromatin context combined with other histone mark, has positive and negative roles in transcriptional regulation. Our results show that loss-of-function of KIN1 has later flower deficit， assoicated with upregulated transcriptional level and attenuated H3T3ph at FLC locus. Take together, our project is to understand the molecular mechanisms of Threonine 3 phosphorylation of histone H3 with isolated kin1 mutant in Arabidopsis.

组蛋白转录后的修饰是表观遗传学的重要部分之一，这些修饰伴随着特异的生物学功能，随着研究的深入，对甲基化、乙酰化修饰等组蛋白修饰功能有较深入的了解，然而对组蛋白的磷酸化修饰的功能还知之甚少。组蛋白的磷酸化多发生在H3的第3位、第11位苏氨酸以及第10位和第28位的丝氨酸上，这些磷酸化发生在细胞有丝分裂的多个阶段，通过染色体的浓缩和分离状态来调控着基因的表达，具有重要的生物学功能。一方面，生物体内存生着大量的磷酸化激酶，另一方面，组蛋白磷酸化修饰功能的保守性不强，并在基因表达调控中，具有激活或者抑制基因表达的功能，增加了研究的难度。我们发现拟南芥组蛋白H3第三位苏氨酸磷酸化激酶KIN1，具有H3第三位苏氨酸磷酸化酶的活性，突变体kin1具有晚花的表型，开花抑制基因FLC的表达水平上调，而H3第三位苏氨酸磷酸化修饰水平降低，本研究拟继续解读拟南芥组蛋白第三位苏氨酸磷酸化修饰的分子调控机理。

组蛋白磷酸化修饰参与细胞周期、DNA损伤修复、基因转录调控。植物体组蛋白磷酸化以及是否存在特异的修饰位点知之甚少？我们研究发现MLK4磷酸化H2A第95丝氨酸，调控植物的开花时间。H2A的第95丝氨酸普遍存在于苔藓、裸子植物、被子植物中，而在动物在不存在这个位点，表明H2A第95丝氨酸磷酸化是植物特有的组蛋白修饰位点。.功能缺失的MLK4在长日照情况下具有晚开花的表型表明MLK4调节开花时间依赖于光周期。MLK4的174位的赖氨酸突变为精氨酸后，MLK4则不具有H2A激酶的活性，并且不能互补mlk4的晚花表型，表明这功能缺失的MLK4引起的晚花表型是由H2A第95丝氨酸磷酸化所引起的。进一步研究显示，MLK4能够与MYB类转录因子CCA1互作，而CCA1能特异结合于GI的启动子上，将MLK4带至GI位点，促进GI的表达水平以及H2A第95丝氨酸的磷酸化，且MLK4结合GI位点依赖于CCA1蛋白。CCA1还能与SWR1复合体的亚基YAF9a互作，在mlk4降低GI位点H2A.Z和H4上乙酰化的水平。相关结果发表于2017的Plant Cell上 (Su et al., 2017)。.在个体发育过程中，组蛋白修饰是个动态的变化过程；那么组蛋白修饰是如何“感知”植物的不同的时间生长发育状态，而这种感知状态的过程，是不是直接就是通过某些重要的激素来完成的？我们的研究显示：功能缺失的MLK1和MLK2具有短下胚轴和晚花的表型，这种短下胚轴是由于细胞伸长受抑制所引起的，不受光照的影响。mlk1 mlk2突变体，对赤霉素GA的敏感性降低， DELLA结构域蛋白RGA与MLK1/2直接互作。mlk1 mlk2 rga三突变具有与rga-28一样的长下胚轴的表型，表明MLK1和MLK2参与赤霉素信号。MLK1/2, RGA以及CCA1三个蛋白形成一个蛋白复合体，共同调节拟南芥下胚轴的伸长。那么三者是如何协同完成这一生物学过程的呢？ 研究显示，CCA1直接DWF4的启动子，并且能激活DWF4的转录，而RGA则抑制CCA1与DWF4的启动子的结合，从而抑制CCA1激活作用。MLK1/2与CCA1之间的蛋白互作亲和力，大于CCA1与RGA之间的结合。因此，MLK1/2能解离CCA1与RGA之间的互作，且MLK1/2能够逆转RGA对CCA1的抑制，重新激活DWF4的表达，促进下胚轴的伸长。