Nature Plants | 何新建实验室发现了植物中三类SWI/SNF染色质重塑复合体并揭示其功能差异

2022年12月5日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院何新建实验室在《Nature Plants》杂志在线发表了题为“Comprehensive characterization of three classes of Arabidopsis SWI/SNF chromatin remodelling complexes”的研究论文。该研究发现拟南芥中存在三类SWI/SNF复合体，系统地比较了这三类复合体的亚基组成和生物学功能的异同，并探究了这三类复合体产生功能差异的分子机制。

该研究通过亲和纯化联合质谱分析,在拟南芥中鉴定到BAS（BRM-associated SWI/SNF）、SAS （SYD-associated SWI/SNF）和MAS（MINU1/2-associated SWI/SNF）三类SWI/SNF染色质重塑复合体并区分了它们所包含的共同亚基和特异亚基（图1），同时发现水稻中也包含三类SWI/SNF复合体，具有与拟南芥SWI/SNF复合体保守的分类和亚基组成，揭示了植物中SWI/SNF复合体的保守性。

图1

拟南芥中三类SWI/SNF复合体的亚基组成

图中灰色表示三类复合体的共同亚基，绿色、蓝色和红色分别表示BAS、SAS和MAS复合体的特异亚基。

通过系统分析不同SWI/SNF亚基的突变体的发育表型，发现BAS、SAS和MAS复合体特异调控不同生长发育过程，体现在叶发育、花发育和分枝等方面。对SWI/SNF相关突变体进行RNA测序分析，发现三类SWI/SNF复合体对基因表达的调控也体现出明显的特异性。染色质免疫沉淀结合测序分析揭示了BAS、SAS和MAS复合体在基因组上结合的位置。其中，BAS和SAS复合体结合的靶基因高度重合，而MAS复合体具有很多特异结合的靶基因。三类复合体都主要结合在转录起始位点（transcription start sites, TSS）附近，但结合的位置范围有差异（图2）。在全基因组水平检测了不同复合体的突变对染色质开放程度的影响，发现BAS、SAS和MAS复合体的主要作用都是促进染色质开放，但它们所调控的染色质开放性区域的范围有区别：MAS复合体所调控的开放性区域集中位于TSS附近；SAS复合体除了负责TSS附近区域的开放性，还对远端启动子和基因间区域开放性的维持发挥了重要作用；BAS复合体所调控的开放性区域主要位于TSS附近，但也负责维持部分远端启动子区域的开放性（图2）。

通过分析BAS、SAS和MAS复合体所结合的区域和调控开放性的区域上的组蛋白修饰水平，本研究发现标志基因活跃表达的组蛋白H3K4me3和H3ac修饰水平在三类SWI/SNF复合体结合的区域都显著高于基因组上的随机区域，且两类组蛋白修饰水平在SAS、BAS、MAS复合体的结合区域依次升高。在三类复合体各自结合的区域中，开放性受到BAS和MAS维持的区域具有相对较高的H3K4me3和H3ac水平，而开放性受到SAS维持的区域具有相对较低的H3K4me3和H3ac水平（图2），这提示组蛋白修饰对三类SWI/SNF复合体的结合或重塑活性可能具有不同的影响。BAS复合体具有能够识别组蛋白乙酰化的亚基BRD1/2/13；MAS复合体同时具有能识别组蛋白乙酰化的亚基BRD5以及能识别组蛋白H3K4me3的亚基SHH2和PMS2A/B；SAS复合体不具有能识别组蛋白修饰的亚基（图2）。鉴于H3K4me3及H3ac修饰主要位于基因内部区域，BAS、SAS和MAS复合体的结合区域和所调控开放性区域的位置特异性可能与三类复合体不同的组蛋白修饰结合能力有关。

图2

拟南芥中三类SWI/SNF复合体对染色质开放性的不同影响

阴影表示三类SWI/SNF复合体结合的主要区域范围，彩色条形表示三类SWI/SNF复合体负责的染色质开放性的主要区域范围。

综上，本研究系统鉴定了拟南芥中三类SWI/SNF复合体，揭示了三类复合体在基因组上不同位置调控染色质开放性的分子机制。这些发现不仅解决了植物表观遗传领域中长期存在的SWI/SNF复合体分类不明确的问题，也为深入研究植物SWI/SNF复合体调控染色质重塑的机制及其在植物的发育和逆境应答过程中的作用奠定了基础。

何新建实验室的博士研究生郭婧为该论文的第一作者，何新建研究员为通讯作者。该研究在北京生命科学研究所完成，并得到了科技部、国家自然科学基金委及北京市政府的资助。

https://www.nature.com/articles/s41477-022-01282-z