植物SAWADEE结构域相关蛋白的结构功能研究

The post-translational modifications (PTM) of histone have important funtion in gene regulation in eukaryotes. The execution of histone PTM function requires specific protein to 'read' the PTM and subsequently trigger out the down stream signal pathway. SAWADEE domain is an evolutionary conserved plant specific domain. The study on the SAWADEE domain is very limited. However, recent studies have indicated that SAWADEE domain functions as a histone PTM reader module in epigenetic regulation. In this project, we will focus on plant SAWADEE domain containing proteins and carry out structural and functional studies on them. We will use biochemical assays to identify the type of histone PTM that the SAWADEE domain proteins read and determine their complex structures to reveal the structural basis for their specific binding to certain histone PTM. We will further use multiple research approaches, including biochemistry, plant molecular genetics, and gemomic studies to reveal the molecular basis for the specific function of certain SAWADEE domain protein. Based on these studies, we will further conclude the general recognition mechanism for the plant specific SAWADEE domain.

组蛋白的翻译后修饰在真核生物的基因调控中起着重要作用，其功能的实现往往需要特定的结构域来对这些修饰发生特异性的识别，从而启动下游信号通路。SAWADEE结构域是一种植物中特有而在进化中相对比较保守的结构域，这类结构域的功能以往研究的不多，近年来越来越多的证据表明SAWADEE结构域参与了表观遗传调控中对特定组蛋白修饰的特异性识别。我们将以植物中含SAWADEE结构域的蛋白质为研究对象，开展对这些蛋白质及相应的蛋白与组蛋白多肽复合物的结构和功能研究，用生化实验鉴定不同蛋白来源的SAWADEE结构域所识别的组蛋白修饰，并测定它们以及它们和靶标多肽复合物的晶体结构，解析SAWADEE结构域对于相应组蛋白修饰特异性识别的结构生物学基础。在此基础上，综合运用生物化学、植物分子遗传学以及基因组学等手段来揭示SAWADEE结构域发挥功能的分子机制，并总结SAWADEE结构域识别组蛋白修饰的一般规律。

组蛋白修饰是一类重要的表观遗传调控方式，具备位点多样、种类复杂、调控机制灵活等特征，是目前研究最多也是最复杂的表观遗传调控系统。高等植物因和动物分离较早，在表观遗传调控机制层面有很大的不同。本项目主要开展植物组蛋白修饰识别因子的结构功能研究，特别是植物特有的SAWADEE结构域组蛋白识别因子识别组蛋白修饰的机制研究。在项目执行期内，项目团队针对包含SAWADEE结构域在内的多种植物组蛋白识别器开展了结构功能相结合的研究，从生化上解析了这些识别因子识别组蛋白靶标的机制：（1）解析了植物SHH2蛋白SAWADEE结构域识别组蛋白修饰H3K9me1的机制，发现了一类全新的单甲基化赖氨酸识别机理，发表在Journal of Integrative Plant Biology杂志上；（2）解析了SAWADEE结构域所在的Royal Family组蛋白识别器超家族中若干其他结构域，如BAH、PHD等结构域相关蛋白，识别组蛋白修饰的分子机制，分别发表在Nature Genetics、Nature Communications、Plant Cell等杂志上；（3）鉴定了植物SAD1的SAWADEE结构域识别靶标为H3K4me3，并解析了其与H3K4me3复合物的晶体结构，该成果还在整理过程中。这些研究成果不仅揭示了植物组蛋白识别因子，特别是含有SAWADEE结构域的因子，识别其组蛋白靶标的分子机制，更是基于植物系统发现了新的识别机理，为组蛋白识别一般机制的研究提供了重要线索和积累。