周偉 王宇 解莉楠

（東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 東北鹽堿植被恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實驗室，哈爾濱 150040）

經(jīng)典分子遺傳學(xué)描述了從基因到蛋白質(zhì)的信息傳遞過程，即中心法則［1］，但是這一學(xué)說并不能完全解釋所有的遺傳現(xiàn)象。為了進(jìn)一步解釋這些非經(jīng)典遺傳學(xué)的遺傳現(xiàn)象，1957 年研究人員提出了一個新的概念——表觀遺傳學(xué)。表觀遺傳學(xué)是研究在DNA 序列不發(fā)生改變的情況下，通過對基因進(jìn)行可逆性修飾，產(chǎn)生可遺傳的基因表達(dá)改變，導(dǎo)致表型變異的現(xiàn)象。表觀遺傳調(diào)控機(jī)制涉及到DNA 甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA 幾個方面，是當(dāng)前生命科學(xué)研究中的一個熱點(diǎn)［2］。在真核生物中，核小體是組成染色質(zhì)的基本單位，由DNA 包裹在組蛋白八聚體（由兩個組蛋白H2A，H2B，H3 和H4 組成）周圍形成［3］。組蛋白翻譯后修飾有很多類型，包括甲基化（me）、乙?；╝c）、丙?；╬r）、丁?；╞t）、巴豆?；╟r）、甲?；╢o）、磷酸化（ph）、泛素化（ub）、SUMO 化、ADP 核糖化和生物素化（bio）等。這些修飾發(fā)生在組蛋白不同氨基酸類型或組蛋白不同位點(diǎn)上，并可以成組或成簇地分布于染色質(zhì)不同區(qū)段，可影響組蛋白與DNA 結(jié)合能力從而改變?nèi)旧|(zhì)的狀態(tài)，也可以影響轉(zhuǎn)錄因子與DNA 序列的結(jié)合，對基因表達(dá)調(diào)控具有類似DNA 遺傳密碼的作用，故被稱為“組蛋白密碼”（圖1）［4-5］。

在眾多組蛋白修飾中，組蛋白的甲基化修飾有著重要的調(diào)控作用，并且其修飾方式更加復(fù)雜。組蛋白甲基化不僅能夠發(fā)生在組蛋白的不同位點(diǎn)上，同時在同一位點(diǎn)還能產(chǎn)生不同程度的甲基化修飾水平。如賴氨酸殘基可以發(fā)生單甲基化（Kme1）、二甲基化（Kme2）或三甲基化（Kme3）修飾，而精氨酸殘基則可以發(fā)生單甲基化修飾（Rme1）、對稱二甲基化修飾（Rme2s）或非對稱二甲基化（Rme2a）修飾［6］。本文將重點(diǎn)綜述植物賴氨酸殘基甲基化的建立與去除過程，并探討在植物生長發(fā)育、非生物脅迫及植物免疫等方面的作用和可遺傳性。

1 組蛋白甲基化

組蛋白的甲基化主要發(fā)生在組蛋白H3、H4 的N 端賴氨酸（K）和精氨酸（R）殘基上，并不改變組蛋白的電荷，是由組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶（Histone methyltransferase，HMT）將S-腺苷甲硫氨酸上的甲基轉(zhuǎn)移到靶蛋白賴氨酸殘基末端的胍基上而產(chǎn)生的修飾。果蠅中的Su（var）3-9 蛋白是被發(fā)現(xiàn)的第一個組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶，具有保守SET 結(jié)構(gòu)域［7］，哺乳動物中的SUV39H1 和SUV39H2。以及酵母中Clr4 都是Su（var）3-9 的類似物。以上這4 種酶對H3K9 甲基化具有特異的催化活性［8］，而哺乳動物中另一種甲基轉(zhuǎn)移酶G9a 不僅可以催化H3K9 甲基化，還可以催化H3K27 甲基化。目前為止，已發(fā)現(xiàn)了數(shù)十種賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（Histone lysine methyltransferases，HKMTs）。其中HKMTS 分為SET結(jié)構(gòu)域家族和非SET 結(jié)構(gòu)域家族。目前研究比較深入的是SET 結(jié)構(gòu)域家族，Ng 等［9］將SET 結(jié)構(gòu)域家族分為7 個種類：（1）E（z）同源物；（2）ASH1 同源物；（3）trithorax 同源物；（4）含有SET 和PHD結(jié)構(gòu)域的蛋白；（5）Su（var）同源物；（6）含有中斷的SET 結(jié)構(gòu)域的蛋白；（7）RBCMT 和其他SET相關(guān)的蛋白。

在模式植物擬南芥（Arabidopsis thaliana）中共發(fā)現(xiàn)47 種SET 結(jié)構(gòu)域蛋白，水稻和玉米中目前為止分別發(fā)現(xiàn)37 種和35 種SET 結(jié)構(gòu)蛋白，不同的SET蛋白具有不同的作用。植物的SET 家族Ⅰ蛋白作為H3K27 甲基轉(zhuǎn)移酶，使H3K27 發(fā)生甲基化，家族Ⅱ在擬南芥中有著H3K36 甲基轉(zhuǎn)移酶活性，家族Ⅲ在激活基因表達(dá)方面發(fā)揮作用，家族Ⅳ是一類含有一個PHD finger 和在C 端有一個SET 結(jié)構(gòu)域的蛋白，大部分的家族Ⅴ蛋白跟H3K9 甲基化相關(guān)，家族Ⅵ在擬南芥、玉米和水稻中都存在同源基因，表明這一類型的家族存在于植物分化為單子葉植物和雙子葉植物之前。與前6 個家族不同，家族Ⅶ能夠甲基化非組蛋白蛋白質(zhì)，目前在玉米中還未發(fā)現(xiàn)家族Ⅶ［9］。

圖1 組蛋白修飾類型

2 組蛋白甲基化的建立與去除

組蛋白修飾是一個動態(tài)的過程。為此，生物體進(jìn)化出一系列的酶來完成特定組蛋白修飾的建立與去除。通常將能夠特異性識別組蛋白修飾位點(diǎn)的蛋白或結(jié)構(gòu)域稱作“閱讀器”（Reader），如Chromo［10］，WD40 重復(fù)［11］等；將能夠產(chǎn)生組蛋白修飾位點(diǎn)的酶稱為“書寫器”（Writer），如組蛋白磷酸化酶，組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶等；將能去除組蛋白修飾的酶稱為“擦除器”（Eraser），如組蛋白去磷酸化酶，組蛋白去甲基化酶等。組蛋白賴氨酸甲基化的建立與去除過程機(jī)制比較明確（圖2）。

圖2 組蛋白修飾的建立、去除及識別過程（修改自［12］）

2.1 組蛋白賴氨酸甲基化的建立

組蛋白賴氨酸的甲基化修飾通過改變組蛋白N端的不同位點(diǎn)賴氨酸的甲基化狀態(tài)或相同位點(diǎn)賴氨酸的甲基化數(shù)量來介導(dǎo)基因在轉(zhuǎn)錄水平的沉默和染色質(zhì)的開放程度［12］。目前，對植物組蛋白賴氨酸甲基化修飾的研究主要集中在H3 的第4、9、27 和36位的賴氨酸殘基上［13］。

在擬南芥中，目前一共發(fā)現(xiàn)了7 個H3K4me的“書寫器”，3 個H3K9me 的“書 寫器”，5 個H3K27me 的“書寫器”，6 個H3K36me 的“書寫器”（表1）。在H3K4me 的“書寫器”中，有一些能夠向H3K4 添加多個甲基如SDG2（SET DOMAIN GROUP2）［14］和SDG25/ATXR7（ARABIDOPSIS TRITHORAX-RELATED 7）［15］，或者能夠靶向不同的氨基酸如SDG26：H3K4me3 和H3K36me3［16］、SDG4：H3K4me2/3 和H3K36me3［17］。雖然ATX1 和ATX2 相似度很高，但是ATX1 特異靶向H3K4me3，而ATX2靶向H3K4me2［18］。SDG2主要是與H3K4me3 有關(guān)［19］。ATX3、ATX4 和ATX5 具有相似的結(jié)構(gòu)域和表達(dá)模式，當(dāng)ATX3、ATX4和ATX5突變后會造成全基因組水平的H3K4me2 和H3K4me3的水平顯著降低和上千個相關(guān)基因的異位表達(dá)。axt3/atx4/atx5三突與atx2單突的雜交后代會有一些巨大的表型改變［20］。在水稻中，目前共發(fā)現(xiàn)了1 個H3K4me 的“書寫器”，3 個H3K9me 的“書寫器”，8 個H3K27me 的“書寫器”，2 個H3K36me 的“書寫器”。SDG701 蛋白結(jié)合染色質(zhì)以促進(jìn)H3K4me3并增強(qiáng)水稻成花素基因Hd3a（Heading date 3a）和RFT1（Rice Flowering LocusT1）的表達(dá)，促進(jìn)水稻在長日或短日光周期下開花［21］。

目前擬南芥中鑒定出的Su（var）3-9 的家族蛋白 從SUVH1 到SUVH9共有9 個，其 中SUVH4 是KYP。kpyptonite突變導(dǎo)致組蛋白H3K9甲基化的減少，DNA 甲基化的損失和基因沉默的減少。在kpyptonite突變體中，H3K9me2 幾乎全部丟失，而H3K9me1甲基化只有輕微的丟失，這表明KPYPTONITE 蛋白可以向H3K9 位點(diǎn)添加一甲基化和二甲基化，而不能添加三甲基 化［22］。同 時SUVH5 和SUVH6也具有H3K9me1 和H3K9me2 的甲基轉(zhuǎn)移酶活 性［23-24］。水稻中共發(fā)現(xiàn)12 個Su（var）3-9 的家族蛋白，其中SDG710、SDG714 和SDG727 三個蛋白具有H3K9me2 和H3K9me3 的甲基轉(zhuǎn)移酶活性，但是對這3 個基因在水稻的過表達(dá)和RNAi 株系中均未觀察到明顯的表型變化［25］。

H3K27 的甲基化酶主要與PRC2（Polycomb repressive complex 2）復(fù)合體有關(guān)。PRC2 復(fù)合體在果蠅中包含4 個核心蛋白：（1）Zeste 增強(qiáng)子；（2）Zeste 抑制物；（3）額外的性梳；（4）p55［26］。在擬南芥中，CUPLYLEAF（CLF），SWINGER（SWN）和MEDEA（MEA）是PRC2 復(fù)合體Zeste 增強(qiáng)子的3 個含有SET 結(jié)構(gòu)域的同源蛋白，這3 個酶主要催化H3K27 的三甲基化［12］。雖然通過免疫染色的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PRC2 也能促進(jìn)H3K27me2 在常染色質(zhì)中的積累，但是H3K27me2 的主要甲基化轉(zhuǎn)移酶還沒有發(fā)現(xiàn)［27］。ATXR5 和ATRX6 是擬南芥DNA 復(fù)制過程中的異染色質(zhì)區(qū)域的H3K27me1 主要的甲基化轉(zhuǎn)移酶［28］。水稻中，OsCLF 和OsiEZ1 是Zeste 增強(qiáng)子的同源蛋白，OsEMF2a 和OsEMF2b 是Zeste 抑制物的同源蛋白，OsFIE1 和OsFIE2 是額外性梳的同源蛋白，這6 個酶催化H3K27 的三甲基化［29］。OsVIL2 和OsVIL3 可能是水稻PRC2 復(fù)合體組成部分，通過與水稻的開花抑制物OsLF 的啟動子區(qū)域結(jié)合，并通過向其添加H3K27me3 修飾，抑制OsLF的表達(dá)，使水稻開花時間提前［30］。

在植物中，多個含有SET 結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)負(fù)責(zé)編寫H3K36 的甲基化。SDG4 和SDG26 特異催化H3K36的三甲基 化［16-17］，而SDG25特異靶向H3K36me2［31］。SDG8既能催化H3K36的二甲基化，又能催化其三甲基化［32］。Kumpf 等［33］發(fā)現(xiàn)ASHR3 是H3K36me1 和H3K36me2 的甲基轉(zhuǎn)移酶。ATXR2 是一個H3K36me3 的甲基轉(zhuǎn)移酶，能與LBD（LATERAL ORGAN BOUNDARIES DOMAIN）基因的啟動子結(jié)合，導(dǎo)致LBD 啟動子上的H3K36me3 增加，從而促進(jìn)愈傷組織的誘導(dǎo)發(fā)育［34］。SDG724 通過調(diào)節(jié)水稻MADS50和RFT1基因上H3K36me2 和H3K36me3 的水平來促進(jìn)水稻開花［35］。SDG725 是水稻H3K36me2 和H3K36me3 的甲基轉(zhuǎn)移酶，它的表達(dá)下調(diào)會引起水稻的矮化、節(jié)間縮短、葉片直立、種子變?。?6］。

2.2 組蛋白賴氨酸甲基化的去除

組蛋白賴氨酸甲基化的去除需要具有組蛋白去甲基酶活性的蛋白質(zhì)。根據(jù)組蛋白賴氨酸去甲基酶的作用方式可以將其分為兩類：賴氨酸特異性去甲基化酶1（Lsine-specific demethylase 1，LSD1）［37］和含有Jmjc 結(jié)構(gòu)域的去甲基化酶（Jmjc domaincontaining histone demethylases，JHDM）［38］。 目前，擬南芥中LSD1 同源物可以分為4 種類型，分別 是FLD（FLOWERING LOCUS D）、LDL1（LSD1 LIKE1）、LDL2 和LDL3［39］，編 碼JHDM的基因共有21個，可分為KDM5（lysine demethylase 5）/JARID1、KDM3/JHDM2、KDM4/JHDM3、JHDM6 和一類只含有Jmjc 結(jié)構(gòu)域的蛋白共5 類［40］。與擬南芥相似，水稻中共發(fā)現(xiàn)5 類JHDM 基因，共20 個。Qian 等［41］根據(jù)玉米基因組共預(yù)測到19 個JHDM，分別注釋到JARID1、JHDM2 和JHDM3 這3 類中。

在擬南芥中FLD、LDL1 和LDL2 通過降低FLC（FLOWERING LOCUS C）位點(diǎn)的H3K4me1/2的甲基化水平來調(diào)控FLC的表達(dá)水平，從而影響擬南芥開花時間［42-43］。JMJ14（JUMONJICDOMAINCONTAINING PROTEIN 14），JMJ15可以去除H3K4 的所有甲基化類型［44-45］，JMJ18 可以去除H3K4me2/3［46］，這3 種去甲基化酶共同參與調(diào)節(jié)擬南芥開花時間和雌配子體的發(fā)育。JMJ16 與WRKY53和SAG201結(jié)合并通過降低這些位點(diǎn)的H3K4me3 水平來抑制它們在擬南芥成熟葉中的過早表達(dá)［47］。JMJ17 功能缺失會造成全基因組水平上的H3K4me3的增加，并激活大量干旱脅迫響應(yīng)基因的表達(dá)。JMJ17 直接與OST1（OPEN STOMATA 1）結(jié)合，通過去除H3K4me3 甲基化來調(diào)節(jié)OST1 的表達(dá)水平從而響應(yīng)干旱脅迫［48］。JMJ703 可以去除水稻中H3K4的所有甲基化類型，JMJ703 的缺失會導(dǎo)致莖的細(xì)胞分裂率降低和植株大小改變，表明JMJ703 在植物生長中發(fā)揮著重要作用［49］。

JMJ27 是一種核蛋白，含有鋅指基序和催化的JmjC 結(jié)構(gòu)域，具有保守的Fe（II）和α-酮戊二酸結(jié)合位點(diǎn)，并顯示出H3K9me1/2 去甲基化酶活性。IBM1（Increase inBONSAIMethylation 1）具有H3K9me1/2 的去甲基化酶活性，IBM1 的突變誘導(dǎo)了RDR2（RNA-DEPENDENT RNA POLYMERASE 2）和DCL3（DICER-LIKE 3）中H3K9 和DNA 非CG 位點(diǎn)的高甲基化，并抑制了它們的表達(dá)［50］。JMJ30 具有特異的H3K9me3 的去甲基化酶活性［51］。JMJ706 能特異去除H3K9me2 和H3K9me3，JMJ706功能缺失的突變體會導(dǎo)致水稻花形態(tài)和器官數(shù)量的改變［52］。

ELF6（JMJ11）和REF 6（JMJ12）是擬南芥中H3K27me3 和H3K27me2 的兩個主要去甲基化酶，ELF6 在促花光周期途徑中起阻遏作用［53］，而REF6則會抑制FLC 的表達(dá)［54］。JMJ30 和JMJ32 通過調(diào)節(jié)FLC 位點(diǎn)的組蛋白去甲基化，防止擬南芥在高溫處理下過早開花［55］。JMJ13 是一個H3K27me3 的特異性去甲基化酶，在擬南芥中作為開花和光周期依賴的開花抑制物［56］。到目前為止，H3K27me1 的去甲基化酶尚不清楚。

在植物中，H3K36me3 的特異性去甲基化酶尚不清楚，PRC2 復(fù)合體和H3K36me 的直接聯(lián)系也尚未建立。JMJ30 通過H3K36me2 的去甲基化，參與了擬南芥晝夜節(jié)律的控制和開花時間［55］。

表1 植物主要賴氨酸甲基化修飾酶表

3 組蛋白賴氨酸甲基化修飾在植物中的作用

基因表達(dá)調(diào)控在植物生長發(fā)育過程中關(guān)鍵機(jī)制。由于植物的生長發(fā)育是在固定的位置，當(dāng)植物受到不可避免的環(huán)境壓力時，基因表達(dá)的動態(tài)調(diào)控就顯得更加重要。特定基因的表達(dá)水平跟核小體上的一系列表觀修飾相關(guān)，組蛋白修飾作為一種重要的表觀修飾手段，在植物的生長發(fā)育和抗逆過程中發(fā)揮著重要作用。在植物中，H3K4me2/3在近端啟動子和轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（Transcription start site，TSS）位點(diǎn)富集，而H3K4me1 通常在轉(zhuǎn)錄區(qū)域富集［86］。H3K27me2/3 在整個基因體中富集，在TSS 附近具有略高的H3K27me3 豐度［87］。與動物相反，H3K36me3 占據(jù)基因的5'端，而H3K36me2更富集于轉(zhuǎn)錄基因的3' 端。通常H3K4me3 和H3K36me3 跟基因的轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)［88］，而H3K9me3和H3K27me3 跟抑制基因表達(dá)相關(guān)［87］。

3.1 組蛋白賴氨酸甲基化調(diào)控植物開花過程

開花是植物生長發(fā)育過程中最重要的一個階段，決定著植物的繁殖，這一過程既受到自身的內(nèi)源性調(diào)節(jié)，也受到外界環(huán)境因素的影響。大部分的植物都需要經(jīng)過春化作用才能完成開花，而春化途徑與組蛋白賴氨酸甲基化修飾密切相關(guān)。FLC編碼一個MADS-box 轉(zhuǎn)錄因子［89］，通過抑制開花激活因子FT（FLOWRING LOCUS T）和SOC1（SUPPRESSOR OF CO 1）的表達(dá)來影響植物的開花［90］。擬南芥在未春化前FLC的表達(dá)受到兩個途徑的綜合調(diào)控［91］：（1）FRI（FRIGIDA）和相關(guān)的調(diào)節(jié)因子激活FLC：FRI編碼一個含有卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域的蛋白［92］，與FRL1，F(xiàn)ES1，SUF4，F(xiàn)LX 形成FRI-C 復(fù)合體，通過招募染色體重塑因子SWR1 復(fù)合體，組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶EFS，ATX1 和SDG25，導(dǎo) 致FRI上H3K36me3，H3K4me3，H3 乙?；?，H4 乙酰化［93］等促進(jìn)基因表達(dá)的修飾的富集，直接促進(jìn)FLC的表達(dá)水平。（2）自主途徑通路：COOLAIR是最早被證明具有生物學(xué)功能的長鏈非編碼RNA，是FLC的非編碼反義轉(zhuǎn)錄本。COOLAIR能夠識別特定位點(diǎn)，并形成可變剪切。在擬南芥中COOLAIR的產(chǎn)物分為2 類：（a）通過一個位于FLC第6 個內(nèi)含子中的一個近端剪切位點(diǎn)形成的剪切體。（b）通過一個位于FLC啟動子中的一個遠(yuǎn)端剪切位點(diǎn)形成的剪切體。通過熒光原位雜交檢測表明FLC的表達(dá)和COOLAIR的表達(dá)在每個位點(diǎn)是相互拮抗的［94］。這兩個通路決定了FLC在未受到春化作用時的表達(dá)水平。在春化過程最開始的2 周，VAL1 蛋白和位于FLC第一個內(nèi)含子中的兩個B3 順勢基序共同作用，招募組蛋白去乙?；窰DA19，導(dǎo)致FLC的表達(dá)下調(diào)［95］。同時，COOLAIR的表達(dá)顯著上升，抑制FLC的表達(dá)［94］。在進(jìn)一步的春化過程中，F(xiàn)LC位點(diǎn)上的各種與激活基因表達(dá)相關(guān)的修飾逐漸被H3K27me3 替換［96］。在春化過程結(jié)束后，在LHP1 的作用下，H3K27me3 逐漸覆蓋整個FLC位點(diǎn)，使FLC保持沉默狀態(tài)。

水稻偏愛在短日照條件下開花，而在長日照條件下開花時間會被推遲［97］。在長日照下，水稻開花主要受到Hd1（Heading date 1），Ghd7（Grain yield and heading date 7）和OsCOL4三個基因的抑制，Ghd7只在長日照下起作用［98］，OsCOL4既在長日照中發(fā)揮作用也在短日照中發(fā)揮作用［99］，Hd1在長日照下抑制開花，在短日照下促進(jìn)開花［100］。SNB（SUPERNUMERARY BRACT）和OsIDS1（Oryza sativa INDETERMINATE SPIKELET 1）在植物幼年時期抑制開花［101］。OsMADS50在長日照下優(yōu)先誘導(dǎo)開花［102］，OsId1（Oryza sativa INDETERMINATE 1）在長日或短日的條件下都促進(jìn)開花［103］。這些調(diào)控因子通過調(diào)控Ehd1（Early heading date 1）來間接調(diào)控Hd3a（Heading date 3a）和RFT1（Rice FT 1）這兩個開花基因的表達(dá)或者直接調(diào)控這兩個開花基因。SDG725 能夠促進(jìn)H3K36me2 和H3K36me3 在Ehd3、Ehd2、OsMAD50、Hd3a和RDT1等開花基因上的富集，敲除SDG725會造成水稻晚花［104］。OsEMF2b是PRC2 在水稻中的同源基因，OsEMF2b 的突變會導(dǎo)致水稻晚花，這表明H3K27me3 在調(diào)控水稻開花過程中發(fā)揮作用［105］。

3.2 組蛋白賴氨酸甲基化在植物生根中的作用

多梳蛋白家族（Polycomb group，PcG）蛋白和三胸蛋白家族（Trithorax group，trxG）蛋白是兩種進(jìn)化保守的蛋白，是細(xì)胞分化的決定性調(diào)控因子，維持著細(xì)胞增殖和細(xì)胞分化之間的平衡［106］。擬南芥中PcG 蛋白由PRC1 和PRC2 構(gòu)成，其中PRC2的核心結(jié)構(gòu)域是H3K27me3 的甲基轉(zhuǎn)移酶。PRC2 在植物根的發(fā)育中起著重要作用。CLF 的功能缺失會增加分生組織的活化，導(dǎo)致根的伸長。REF6 是擬南芥中H3K27me3 的去甲基化酶，REF6 的功能缺失會直接導(dǎo)致PIN1/3/7（PIN-FORMED 1/3/7）上的H3K27me3 水平升高，從而促進(jìn)側(cè)根的生長。通過對clf ref6雙突變體的遺傳分析明在側(cè)根的形成過程中CLF 和REF6 具有拮抗作用［107］。ATX1 和SDG2都是擬南芥中具有H3K4 甲基轉(zhuǎn)移酶活性的酶，在atx1和sdg2突變體中分生區(qū)形成異常和有絲分裂活性的降低會影響根的生長［108］。

3.3 組蛋白賴氨酸甲基化在植物抗逆中的作用

擬南芥中H3K4me3 通常在TSS 下游300 bp 的位置富集，同時大部分與ABA 相關(guān)的基因都存在H3K4me3 的修飾。擬南芥中ATX1 催化NCED3（9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase）基因區(qū)域的H3K4發(fā)生三甲基化，H3K4me3 招募相關(guān)蛋白復(fù)合體與ATX1 共同作用，導(dǎo)致NCED3 蛋白大量表達(dá)，合成大量ABA，由此啟動ABA 響應(yīng)通路，從而適應(yīng)干旱環(huán)境［109］。Sani 等［110］發(fā)現(xiàn)H3K27me3 在植物的鹽脅迫響應(yīng)中發(fā)揮作用。他們發(fā)現(xiàn)事先利用Na+處理過的植物比沒有事先用Na+處理過的植物更加耐鹽。同時，通過全基因組ChIP-seq（ChromatinImmunePrecipitation bysequencing）分析發(fā)現(xiàn)在事先經(jīng)過鹽處理的樣品中H3K27me3 有明顯的變化，而H3K4me2、H3K4me3 和H3K9me2則無明顯 變化。HKT1基因編碼一個高親和能力的K+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，控制根莖的Na+的濃度，H3K27me3 的缺失會造成HKT1基因的活化，使其表達(dá)量急劇上升從而使植物耐鹽能力增強(qiáng)［110］。Asr2是在番茄中發(fā)現(xiàn)的一個與抗旱相關(guān)的甲基化表觀等位基因，當(dāng)番茄短暫的暴露在缺水環(huán)境下時，調(diào)控Asr2的區(qū)域的CHH甲基化位點(diǎn)由142 個變?yōu)?5 個。在正常條件番茄根中遠(yuǎn)端調(diào)節(jié)Ars2的區(qū)域有H3K27me3 的富集，而其編碼區(qū)有較高水平的H3K9me2。在受到干旱脅迫時，H3K27me3 的水平并沒有發(fā)生變化，而其編碼區(qū)的H3K9me2 丟失。這表明，在番茄中H3K9me2與CHH 甲基化共同作用，負(fù)調(diào)控Ars2基因的表達(dá)，使番茄適應(yīng)干旱環(huán)境。通過全基因組ChIP-seq 發(fā)現(xiàn)，大豆在鹽脅迫條件下，根中的大多數(shù)基因失活與啟動子或編碼區(qū)的H3K27me3 的從頭建立相關(guān)，這表明H3K27me3 修飾與大豆根中鹽誘導(dǎo)性基因的激活或失活相關(guān)［111］。

3.4 組蛋白賴氨酸甲基化在植物抗病中的作用

組蛋白的翻譯后修飾可調(diào)節(jié)基因表達(dá)影響多種生物學(xué)功能，在擬南芥中，SDG 依賴的CCR2（CAROTENOID ISOMERASE2） 和CRE3（ECERIFERUM 3）是植物免疫所必須的，SDG8 和SDG25 通過調(diào)節(jié)H3K4me 和H3K36me 的水平來調(diào)控這兩個基因。CCR2 催化類胡蘿卜素的生物合成，而CER3 參與表皮蠟質(zhì)的合成。sdg8和sdg25突變體表現(xiàn)出對灰葡萄孢的敏感性增強(qiáng)，并在使用擬南芥內(nèi)源肽1 預(yù)處理之前和預(yù)處理之后真菌的生長相對野生型都有所增加。用來自細(xì)菌鞭毛蛋白的保守部分的合成肽對植物進(jìn)行預(yù)處理，野生型植株顯著提高了對Pst DC3000 的毒力菌株和對非病原性Pst DC3000 hrcC 菌株的抗性，相比之下，sdg8和sdg25的單突變體和雙突變體都失去了這種抗性［112］。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)擬南芥遇到病菌侵害時，組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶SDG8（SET domain group 8）啟動子活性大大增強(qiáng)，導(dǎo)致茉莉酸（Jasmonic acid，JA）和乙烯（Ethylene，ET）防御病菌侵染信號通路的MKK3（Mitogen-activated protein kinase kinase 3）、MKK5（Mitogen-activated protein kinase kinase 5）等上游抵御基因的H3K36me3 水平大大上升，從而誘導(dǎo)這些抵御基因大量表達(dá)，繼而啟動下游抵御基因的表達(dá)，以對抗病菌的侵害［113］。

4 組蛋白賴氨酸甲基化的遺傳性質(zhì)

組蛋白修飾在相應(yīng)酶的作用下堆積在組蛋白上，從而影響啟動子的功能。在多細(xì)胞生物中，細(xì)胞特異性由啟動子建立，其可通過其序列特異性的DNA結(jié)合活性激活或抑制基因的轉(zhuǎn)錄。細(xì)胞分裂過程中不同基因表達(dá)譜的準(zhǔn)確傳遞對于保持細(xì)胞譜系的特性是必不可少的。因此，表觀遺傳學(xué)過程的一個關(guān)鍵特征是，在啟動子作用減弱后，這些有用的染色質(zhì)修飾必須在后續(xù)細(xì)胞世代中能夠穩(wěn)定遺傳［114］。

組蛋白賴氨酸甲基化通常與DNA 甲基化相互聯(lián)系，植物中CHG 甲基化的維持過程中H3K9me2 發(fā)揮著重要作用，CHG 甲基化由CMT3（CHROMOMETHYLASE 3）或CMT2 維持，CHG 甲基化招募H3K9me2 的特異性甲基轉(zhuǎn)移酶SUVH4，SUVH5，SUVH6，使組蛋白發(fā)生甲基化，同時H3K9me2會促 進(jìn)CMT3 和CMT2 的功能，從而形成H3K9me2 和CHG 甲基化的循環(huán)的識別結(jié)構(gòu)［115］。在RNA-directed DNA methylation（RdDM）途徑中，SAWADEE HOMEODOMAIN HOMOLOGUE 1（SHH1）識別并結(jié)合H3K9me，從而招募RNA POLYMERASE IV（Pol IV）產(chǎn)生單鏈的RNA 轉(zhuǎn)錄本，啟動RdDM途徑［116］。通過對花對稱變異［117］，番茄的果實成熟［118］，擬南芥葉片衰老［119］等表觀等位基因的研究證明了DNA 甲基化的可遺傳性，這表明H3K9 甲基化的在植物中的可遺傳性是比較確定的。

許多動物是由進(jìn)化保守的HOX 基因復(fù)合體所控制的不同的身體片段組成的，在胚胎發(fā)生早期，每個節(jié)段的細(xì)胞都可激活某些HOX 基因，而使其他基因沉默，這是一個典型的表觀遺傳記憶永久性調(diào)控基因表達(dá)和沉默的例子，利用果蠅HOX 基因Ubx（Ultrabithorax）的lacZ報告系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，H3K27me3一旦富集在受抑制的果蠅的HOX 基因上，那么H3K27me3 就與這個基因的遺傳相關(guān)聯(lián)，并且能夠在世代遺傳過程中保持受抑制的狀態(tài)。這種長期的記憶取決于每個復(fù)制周期后H3K27me3 的有效富集，這一過程需要反應(yīng)原件（Polycomb response element，PRE）招募PRC2，這段過程表明H3K27me3 是表觀遺傳記憶的決定因素，PRE 和PRC2 的共同作用是H3K27me3 在跨代遺傳中發(fā)揮功能的必要條件［120］。PRC2 能夠抑制秀麗隱桿線蟲生殖細(xì)胞中的X 染色體，并且這種抑制作用能夠通過精子和卵母細(xì)胞傳遞給胚胎。通過生成一些帶有H3K27me 和不帶有H3K27me 的染色體的胚胎，表明在沒有PRC2 的情況下，H3K27me 通過幾輪細(xì)胞分裂而傳遞給子代染色單體。在具有PRC2 的胚胎中，H3K27me 在胚胎發(fā)生持續(xù)過程中以嵌合的模式存在。這些結(jié)果表明，H3K27me 和PRC2 分別在表觀遺傳學(xué)的世代遺傳和發(fā)育過程中保持了抑制狀態(tài)的傳遞［121］。Inoue 等［122］利用不同細(xì)胞的雜交實驗，鑒定了一個新的依賴于H3K27me3 的印記基因Smoc1，同時，發(fā)現(xiàn)依賴于H3K27me3 的印記在植入胚胎前大多是不能遺傳的，但是在胚胎外細(xì)胞中有一部分基因是可遺傳的。目前，植物中對于H3K27me3 可遺傳性的研究主要集中在FLOWERING LOCUS C（FLC）位點(diǎn)上。FLC是擬南芥中響應(yīng)春化作用的一個主要位點(diǎn)，在受到寒冷刺激后，F(xiàn)LC位點(diǎn)上的H3K4me3，H3K36me3和組蛋白H2B 泛素化等促進(jìn)基因表達(dá)的組蛋白修飾被H3K27me3 替代，從而抑制FLC的表達(dá)。當(dāng)恢復(fù)到溫暖環(huán)境中時，在LHP1（LIKE HETEROCHROMATIN PROTEIN 1）的作用下H3K27me3 會逐漸覆蓋整個FLC位點(diǎn)，并且H3K27me3 的這種修飾狀態(tài)能夠在細(xì)胞分裂中維持，從而使FLC在細(xì)胞分裂中保持沉默［123］。通過在檢測擬南芥lhp1、vin3和vrn2等突變體根分生組織中FLC的表達(dá)情況，Yang 等［124］發(fā)現(xiàn)FLC表觀修飾記憶在細(xì)胞分裂過程中處于一種亞穩(wěn)定的遺傳狀態(tài)，同時LHP1 不是維持這種亞穩(wěn)定的表觀修飾所必須的。

Reinberg 等［114］提出H3K9me3 和H3K27me3 這一類具有抑制基因表達(dá)作用的組蛋白修飾是能夠遺傳的。原因在于H3K9me3 和H3K27me3 的reader和writer 與一些蛋白相互作用形成復(fù)合體，在形成新的修飾的過程中需要識別已有的相同修飾。這樣的修飾機(jī)制可能決定了這一類組蛋白修飾的遺傳性質(zhì)，同時，這種能夠抑制基因表達(dá)的組蛋白修飾能夠遺傳的另一個原因是，抑制基因的不適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)錄活性在多細(xì)胞生物的進(jìn)化過程中是必須的，如果基因的激活過程是一個正反饋通路，那么細(xì)胞的分化過程中的可變的刺激轉(zhuǎn)化為永久性的錯誤的概率將會增大，對生物體具有潛在的威脅。反之，當(dāng)生物認(rèn)為某些基因的活化對自身產(chǎn)生威脅時，具有抑制作用的組蛋白修飾將會使相應(yīng)的基因保持沉默狀態(tài) （圖3）。

當(dāng)基因的啟動子區(qū)域存在H3K27me3 或H3K9me2 等抑制基因活性的組蛋白賴氨酸甲基化修飾時，基因表達(dá)被抑制，產(chǎn)生表型Ⅰ（表觀等位基因型DepiDepi）。當(dāng)基因啟動子區(qū)域沒有組蛋白賴氨酸甲基化修飾時，基因正常表達(dá)產(chǎn)生表型Ⅱ（表觀等位基因型depidepi）。雜交后得到具有表型Ⅲ（表觀等位基因型Depidepi）的F1 代植株，F(xiàn)1 自交得到表型Ⅰ、表型Ⅱ、表型Ⅲ三種表型的F2 代植株，且其分離比為1∶2∶1。這種復(fù)合孟德爾分離定律的抑制性組蛋白賴氨酸甲基化引起的表型差異，我們認(rèn)為這種組蛋白是具有遺傳性的。

圖3 抑制型組蛋白賴氨酸甲基化調(diào)控基因表達(dá)及導(dǎo)致獲得性表型差異及跨代遺傳猜想圖

5 展望

組蛋白賴氨酸甲基化作為表觀遺傳修飾的重要組成部分，通過不同位點(diǎn)或不同程度的甲基化修飾來調(diào)控相應(yīng)基因的表達(dá)水平從而影響植物的生長發(fā)育，在植物的環(huán)境適應(yīng)方面有著重要意義。組蛋白賴氨酸甲基化在擬南芥和水稻的開花過程中發(fā)揮著重要作用，通過不同功能的組蛋白賴氨酸修飾動態(tài)調(diào)控不同溫度不同日照長度下的開花過程。組蛋白賴氨酸甲基化在植物抗逆過程中也起著重要作用，H3K4me3 能夠促進(jìn)ABA 的大量合成，使擬南芥適應(yīng)干旱環(huán)境。在番茄中H3K9me2 與CHH 甲基化共同作用，負(fù)調(diào)控Ars2基因的表達(dá)，響應(yīng)干旱脅迫。H3K27me3 則與大豆根細(xì)胞響應(yīng)鹽脅迫有關(guān)。H3K4me 和H3K36me 通過調(diào)節(jié)植物體類胡羅卜素的合成以及植物表皮蠟質(zhì)的合成，來提高植物對病菌的抵抗能力。

但是，目前植物組蛋白賴氨酸甲基化還有很多問題有待深入解決。例如，組蛋白賴氨酸甲基化在植物中遺傳性質(zhì)目前還不是很清楚，雖然FLC 位點(diǎn)的研究證明了H3K27me3 在有絲分裂中存在一定的可遺傳性，但是目前還沒有證據(jù)表明組蛋白賴氨酸甲基化在減數(shù)分裂過程也具有可遺傳性。不同形狀的組蛋白賴氨酸甲基化修飾峰是否有不同功能目前也還不清楚。另外，組蛋白賴氨酸甲基化的修飾位點(diǎn)的生物信息學(xué)鑒定還沒有一個表現(xiàn)很好的經(jīng)過廣泛驗證的通用方法。隨著組蛋白賴氨酸甲基化研究的深入，必將為分子生物學(xué)、遺傳學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)的發(fā)展提供新的思路。