组蛋白甲基化修饰酶在线粒体反向调控中的作用

Mitochondrial retrograde regulation (MRR) is a mechanism by which the cell senses mitochondrial functional status in order to establish and maintain cellular homeostasis. Therefore, MRR is one of strategies that the cell uses to keep internal stability amidst unstable external conditions. To unveil the mechanism of MRR, we analyzed the phenotype and gene expression profile of mutant and overexpression plants for epigenetic effectors and mitochondrial Ca2+ uniporters (MCUs) under conditions of induced MRR. We have isolated some histone methyltransferases (HMTs), histone demethylases (HDMs) and relevant transcription factors (TFs) that may have regulatory roles in MRR. Based on these findings, we propose to identify the factors that act as novel regulatory components in MRR using reverse and forward genetic approaches. We will use CRISPR-Cas9 technique to create mutants by efficiently editing these factors. Meanwhile, we will uncover the functions of these factors in MRR pathway by combing biochemistry, cell biology and transcriptome analysis. Results from the project will shed light on MRR mechanisms that facilitate the epigenetic regulation of mitochondrial functions.

线粒体反向调控（MRR）是细胞感知线粒体功能的变化，建立细胞内部稳态环境，适应外界条件变化的一个重要途径。为了揭示MRR的机制，我们前期比较分析了在诱导MRR的条件下，表观遗传因子，线粒体钙离子通道蛋白过表达及突变体植物的表型和基因表达模式的差异，分离了参与MRR信号途径的组蛋白甲基化酶和去甲基化酶以及与其功能关联的转录因子。本项目拟以此为基础，采用反向和正向遗传学的手段，鉴定和筛选MRR调控因子；利用CRISPR-Cas9技术，对这些调控因子进行编辑；同时结合生物化学，细胞生物学和转录组学的方法，解析它们在MRR途径中的作用。本项目预期结果将阐明线粒体反向调控机制以及线粒体功能的表观遗传调节。

线粒体不仅是细胞产能的细胞器，同时在细胞信号网络中对细胞核基因表达及细胞质蛋白翻译起重要的调控作用。线粒体通过反向调控信号途径，和细胞核和细胞质之间建立信息交流，将自己的功能状态通过特定的信号分子转递其他的细胞区间，而改变核基因表达和蛋白的翻译来重新编程自身的代谢和蛋白的合成，从而建立和维持细胞的稳态（homeostasis）来适应内外环境的变化。因此，线粒体反向调控是植物适应逆境的一种重要机制。然而，我们对高等植物是如何完成这种反向信息交流知之甚少。鉴定反向调控信号途径中重要调控因子，不但可以揭示线粒体反向调控的信号途径和机制，而且也为增强植物的抗逆能力，提高农作物生产力提供理论基础。.表观遗传是细胞响应环境刺激，调节基因表达来适应逆境条件一个重要机制。线粒体提供多种代谢产物和能量用于细胞核中表观遗传标记的修饰,所以，线粒体控制的表观遗传调节是线粒体和细胞核信息交流的一个重要的机制，目前已成为一个新的前沿领域。表观遗传调节特定基因的表达但并不改变基因的序列，其中一个方式是通过对染色质结构的修饰，如翻译后的组蛋白的修饰和DNA甲基化的修饰。目前在植物体系中，虽然有研究表明组蛋白去甲基化酶在调节植物开花、激素应答、盐胁迫以及生物节律中起重要作用，但组蛋白甲基化酶或去甲基化酶介导的组蛋白修饰参与MRR或线粒体功能的调节尚未见报道。.本研究解决了三个关键问题。第一，采用遗传，细胞，分子和生物化学的方法，鉴定了两个组蛋白甲基化修饰蛋白调控细胞核基因对线粒体胁迫的响应； 第二，解析了组蛋白修饰在线粒体反向调控中的作用机制，提出了表观遗传因子JMJ15和JMJ30的工作模型。组蛋白H3K4me3 去甲基化酶JMJ15是能量感应器SnRK1蛋白激酶的靶标,线粒体损伤导致能量降低，SnRK1进入细胞核磷酸化JMJ15，促进JMJ15蛋白的降解，从而解除了JMJ15对转录因子CRF6的抑制，激活了线粒体应急反应。组蛋白H3K27me3 去甲基化酶JMJ30则作用于3′-UTR的加工响应线粒体胁迫。 JMJ30和多聚腺苷酸化因子CPSF30形成一个功能模块作用于3′-UTR的长度变化，从而调控细胞质中特定通路蛋白的翻译，激活线粒体和细胞核之间通讯。第三，JMJ15和JMJ30介导的线粒体与细胞核间通讯与植物逆境的适应有关。