組成型異染色質由高度凝聚的染色質組成，通常包括著絲粒和著絲粒周圍區域。它在染色質組織、轉座子沉默和基因組穩定性中起著至關重要的作用。在很多物種中，DNA重復序列和轉座子(TE)在組成型異染色質區域高度富集，并被DNA甲基化和抑制性組蛋白修飾所沉默。ADCP1是植物基因組中異染色質組蛋白修飾H3K9me2的閱讀器，在調控異染色質形成、H3K9me2和CHG/CHH甲基化維持，以及轉座子沉默中發揮關鍵作用。

在間期細胞核中，組成型異染色質可以被DAPI染色成致密的細胞核結構，被稱為染色中心。染色質中心是凝聚和沉默組成型異染色質區域的細胞組織形式。有趣的是，在不同的植物物種中，異染色質的組織和抑制性組蛋白修飾的分布存在顯著的多態性，染色中心的存在與否也有明顯的細胞核形差異，然而其內在調控機制尚不清楚。

2024年7月16日，清華大學生命學院孫前文實驗室在《自然·植物》 (Nature Plants)雜志上發表了題為“異染色質凝聚體的進化調控植物中染色中心的形成和轉座子沉默” (Evolutional heterochromatin condensation delineates chromocenter formation and retrotransposon silencing in plants) 的研究論文。該研究揭示了植物異染色質蛋白ADCP1通過與其互作蛋白HMGA以及異染色質進行多價態互作介導的相分離，促進染色中心的形成和轉座子沉默。不同植物中ADCP1同源蛋白無序區域的結構變異在進化上影響了染色中心的形成和轉座子在基因組內的分布。

為了探究植物界染色中心形成的調控機制，研究人員通過對處于細胞間期的葉片細胞核進行DAPI染色和異染色質標記H3K9me2和H3K27me1的免疫熒光分析，系統檢測了60種不同植物物種中異染色質的組織形式。發現在所檢測的物種中，僅有十字花科植物及其近緣物種醉蝶花，以及葫蘆科植物具有典型的染色中心（圖1）。通過對各物種中的ADCP1同源蛋白進行序列比對分析，發現ADCP1蛋白在不同植物中則存在顯著的序列差異（圖1 a和b）：在白菜、蘿卜等十字花科植物以及醉蝶花中，ADCP1同源蛋白的序列與擬南芥中的ADCP1具有相似的結構特性 (3對Agenet結構域通過兩個linker連接)，這些物種具有與擬南芥類似的典型染色中心（圖1 a和b）；而在與十字花科親緣關系略遠的物種木瓜中，ADCP1同源蛋白則保留了兩對Agenet結構域和一個linker區，其細胞核內仍可見存在相對彌散的染色中心（圖1 a和b）；在黃瓜、南瓜等葫蘆科植物中，ADCP1同源蛋白只在N端有一對Agenet結構域，之后是長的無序區域，其中包含兩個AT-hooks基序，這些物種的細胞核中也有明顯的染色中心（圖1 a和b）；而在大豆、煙草等其它檢測的雙子葉植物中，ADCP1同源蛋白則缺失了一對Agenet結構域和兩個linker區域，這些物種的細胞核內異染色質呈彌散分布（圖1 a和b）；另外，在水稻、小麥等單子葉植物中，ADCP1的同源蛋白存在兩個linker區域的缺失，這些物種的細胞核內同樣不存在典型的染色中心（圖1 a和b）；在進化中起源較早的裸子植物、苔蘚和蕨類等物種中，ADCP1同源蛋白只有一對Agenet結構域，這些物種的細胞核內異染色質分布同樣較為彌散（圖1 a和b）。研究人員推測ADCP1同源蛋白的結構域變異可能影響了染色中心的形成。

圖1 不同植物物種染色中心存在與否與ADCP1蛋白結構變異相關

為了探究ADCP1調控染色中心形成的分子機制，利用模式十字花科植物擬南芥，研究人員通過免疫共沉淀和質譜分析，鑒定出了一個ADCP1的潛在互作蛋白HMGA（High Mobility Group A），并發現二者的相互作用發生在染色中心。進一步發現，ADCP1和HMGA蛋白中的無序區域會影響蛋白復合體在染色中心的特異定位以及體外的相分離能力。在hmga突變體中，ADCP1在其結合位點上的結合豐度顯著降低。進一步發現HMGA蛋白傾向于結合ADCP1結合區域的兩側。研究人員由此推測HMGA可能通過結合于H3K9me2閱讀器ADCP1介導沉默的異染色質區域兩側，通過與ADCP1互作將異染色質區域進行區隔和濃縮，使其維持沉默狀態，防止轉座子被激活而對基因組穩定產生危害。

實驗人員進一步通過實驗證實，擬南芥ADCP1蛋白中具有相變能力的linker區是調控染色中心形成的關鍵，且該無序區域的氨基酸特性決定了其相變能力。然而葫蘆科植物黃瓜的ADCP1同源蛋白 (CsaADCP1) 的Agenet結構域后面具有一個潛在的HMG結構域和兩個AT-hook基序（圖1）。因此從蛋白質結構上看，CsaADCP1蛋白類似于擬南芥ADCP1和HMGA兩個蛋白在進化上發生融合而形成的嵌合蛋白。通過實驗發現，CsaADCP1蛋白中長段的無序區決定了其相變能力，促進了染色中心的形成。進一步在煙草中穩定表達擬南芥ADCP1-HMGA蛋白會促進細胞核內異染色質伴隨ADCP1-HMGA發生凝聚，產生了類似染色中心的區域。同時ChIP-seq檢測發現，ADCP1蛋白在煙草基因組中也結合在富集H3K9me2標記的LTR型轉座子上。進一步檢測被ADCP1結合的LTR型TE的表達，發現在表達擬南芥ADCP1及加入擬南芥ADCP1的linker區域的NbADCP1蛋白的煙草轉基因植株中，這些轉座子的表達較未轉化的對照顯著下降，表明這些轉座子被ADCP1的結合所沉默。

圖2 ADCP1-HMGA促進染色中心形成的工作模型

根據以上的結果，作者提出了一個模型（圖 2）：ADCP1蛋白中兩個linker區具有相變能力，而Agenet1/2結構域則會抑制ADCP1的自身相變。HMGA蛋白通過與ADCP1的Agenet1/2結構域結合，解除其對相變的抑制，從而促進ADCP1蛋白的相變。此外，HMGA中的AT-hooks區域賦予了HMGA相分離的能力，并且與異染色質區域的AT-rich DNA結合，促進該區域的凝聚。已有的結果表明ADCP1蛋白的6個Agenet結構域均具有結合異染色標記H3K9me2的能力（Cell Research 2019），這一特性進一步促進了異染色質區域的濃縮，使異染色質區域形成了與其它染色質區域相比更加凝聚的特性，降低了該區域的染色質可及性，從而維持了該區域內轉座子的沉默和基因組的穩定。在漫長的進化過程中，葫蘆科物種進化出了另外一種蛋白形式：ADCP1和HMGA的功能結構域發生融合，形成一種新的嵌合蛋白，同時結合H3K9me2和DNA，并具有自身相分離的能力，從而促進異染色質區域的濃縮，維持轉座子的沉默。

清華大學生命科學學院博士后張衛峰為該論文第一作者，清華大學生命科學學院、清華-北大生命科學聯合中心孫前文副教授為本文通訊作者。該工作得到了清華大學李海濤教授、李丕龍副教授和陳春來副教授的指導和幫助，孫前文實驗室2014級博士研究生程玲玲（已畢業）、2018級博士研究生李寬博士（已畢業）、在讀博士研究生雷雪（2021級）和江安潔（2020級），李丕龍實驗室2017級博士研究生謝雷鳴（已畢業），陳春來實驗室2018級博士研究生紀瑾瑤也參與了該研究。該工作得到國家自然科學基金、清華-北大生命科學聯合中心、中國博士后科學基金等經費的支持。

本研究為孫前文實驗室植物異染色質形成機制和功能的系列工作之一（Zhao et al., Cell Research 2019; Zhou et al., The Plant Journal 2020; Zhou et al., Science Advances 2023; Zhang et al., Nature Plants 2024）。孫前文實驗室目前正在招聘博士后開展后續相關研究，歡迎感興趣的申請人聯系：sunqianwen(a)mail.tsinghua.edu.cn（請將’(a)’替換為’@’）。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41477-024-01746-4