白菜官网李陈龙课题组发现植物SWI/SNF复合物新亚基及其调控SWI/SNF复合体结合靶基因的分子机制

研究背景

SWI/SNF染色质重构复合物是一种多亚基蛋白质机器，在调节染色质结构和基因表达方面起着重要作用。然而，SWI/SNF复合物在植物中识别目标基因的机制还不完全清楚。近年来，越来越多的研究报道了人源SWI/SNF复合体的组成及其装配。然而，对植物SWI/SNF复合体的组成和结构的研究却比较缺乏。在前期的研究中，该课题组鉴定到了植物SWI/SNF复合体的两个新核心亚基，BRIP1和BRIP2（Nature Plants，2020）。但是，目前植物中SWI/SNF复合体的亚基组成仍不完全清楚。同时，植物SWI/SNF复合体识别其靶位点的机制也尚未阐明。

主要研究结果

（1）该研究利用SWI/SNF复合体的核心成员BRM为钓饵蛋白，通过免疫共沉淀质谱（IP-MS）技术筛选到了与BRM相互作用的三个高丰度Bromodomain蛋白，BRD1，BRD2和BRD13。通过体外实验，作者证明了BRD1，BRD2和BRD13均能够与SWI/SNF复合体的多个已知核心亚基相互作用（图1A，1B）。此外，brd1/2/13三突变体呈现出与BRM的突变体（brm-1或brm-3）类似的表型（叶片下卷，开花时间提前，根变短等）。说明BRDs（BRD1，BRD2和BRD13）功能冗余，并且与BRM一起去调控植物的生长发育。

图1. BRDs与SWI/SNF复合体相互作用

（2）接下来，作者通过ChIP-seq实验检测了BRD1，BRD2和BRD13在全基因组上的结合情况，分别鉴定到了11,668个，10,721个和10,643个靶基因（图2A）。通过将BRDs的靶基因与BRM的靶基因相比较，发现它们的靶基因存在高度的重叠（80%以上）。并且，BRDs与BRM在全基因组上共定位（图2B）。进一步，作者通过RNA-seq实验证明了BRDs与BRM在很大程度上共同调控基因的表达（图2C）。以上结果说明了BRDs是BRM所在的SWI/SNF复合体的重要成员，并且和BRM一起来调控植物基因的表达。

图2. BRDs与BRM在全基因组上共定位并共同调控基因表达

（3）进一步，作者发现当BRDs突变后，BRM蛋白含量严重下降（图3A）。进一步通过ChIP-seq实验检测BRM分别在野生型和brd1/2/13三突变体背景下在全基因组上的富集情况，结果发现BRDs缺失后导致BRM在全基因组上的结合急剧下降（图3B,3C）。那么，这种下降是由于BRM蛋白含量的减少还是由于BRM是通过BRDs的招募才能结合靶基因导致的呢？接下来，作者用MG132（一种蛋白酶体抑制剂，能有效阻断 26S 蛋白酶体复合物的蛋白水解活性）分别处理野生型和brd1/2/13三突变体。结果显示在MG132处理后的brd1/2/13三突变体中，BRM的蛋白能够得到部分回补（图3A），然而BRM对靶基因的结合能力却没有得到回补（图3D）。这个实验结果说明BRM在缺失BRDs的情况下结合靶基因的能力大大降低是由于此时BRM蛋白不能识别靶基因导致的。换言之，BRDs通过与BRM相互作用，进而帮助BRM识别并结合到靶基因上。

图3. BRDs帮助BRM结合到靶基因上

（4）那么，BRDs又是怎样帮助BRM去结合靶基因的呢？根据先前的报道（Zhao et al., 2018），BRDs的Bromodomain能够与H4K5ac和H4K8ac相互作用。进而，作者分别检测了H4K5ac和H4K8ac的靶基因并进一步与BRDs的靶基因相比较。结果发现，H4K5ac和H4K8ac的靶基因与BRDs的共同靶基因之间存在显著的重叠（图4A）。并且，它们在全基因组上极大地共定位（图4B）。另外，BRDs突变后并不显著影响H4K5ac和H4K8ac在全基因组上的富集水平。说明BRDs是H4K5ac和H4K8ac的reader蛋白。为了进一步确认BRDs的Bromodomain是识别H4乙酰化所必需的，作者构建了BRD2的Bromodomain缺失材料（图4D）。结果表明，当BRD2的Bromodomain缺失后，BRD2的蛋白水平没有发生显著变化（图4E）；但是，当将残缺的BRD2（BRD2△Bromo）转入到brd1/2/13三突变背景材料中时，它并不能够回补brd1/2/13三突变体的表型（图4F）。作者进一步通过ChIP-seq检测了BRD2△Bromo-GFP在全基因组上的富集情况，结果发现BRD2△Bromo-GFP的富集水平相比正常的BRD2-GFP在全基因组上的富集水平显著下降（图4G, 4H）。以上结果表明BRD2的Bromodomain对介导BRD2去结合靶基因和维持BRD2的正常生物学功能至关重要。

图4. BRDs与H4K5ac和H4K8ac共定位

一图解文

BRD1、BRD2和BRD13直接与BRM、SWI3B/C、SWP73B和BRIP1/2亚基相互作用，形成一个相当于哺乳动物ncBAF的植物SWI/SNF复合体。这三种BRD的Bromodomain可以识别乙酰化组蛋白，从而介导SWI/SNF复合物在染色质上的靶向性（图5）。

图5. BRDs帮助SWI/SNF复合体结合靶基因的工作模型

结论与意义

综上所述，该研究工作发现了植物中SWI/SNF复合物的三个新核心亚基（BRD1，BRD2和BRD13），并揭示了这些亚基在帮助植物SWI/SNF复合物在全基因组上去结合靶基因的相关分子机理，为理解植物SWI/SNF复合体的研究提供了重要的参考价值。

2021年3月24日，2023白菜网址官网大全李陈龙课题组在著名学术期刊Molecular Plant发表题为“Bromodomain-containing Proteins BRD1, BRD2, and BRD13 are Core Subunits of SWI/SNF Complexes and are Vital for their Genomic Targeting in Arabidopsis”的研究论文。该研究鉴定了植物中SWI/SNF复合体的三个新核心亚基并阐述了其帮助SWI/SNF复合体结合靶基因的相关分子机制。600全讯白菜官方网站李陈龙教授为该论文通讯作者，课题组2018级博士研究生俞尧光为本文第一作者。该研究得到了国家自然科学基金面上项目的支持。

原文链接：https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(21)00093-9

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本院

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