Nature Plants | 何新建实验室发现植物中两个GCN5组蛋白乙酰化酶复合体协同调控基因转录和生长发育的机制

在真核生物中，组蛋白的乙酰化修饰在基因转录、DNA复制以及DNA损伤修复等过程中至关重要。GCN5是第一个被发现的组蛋白乙酰化酶，它以多亚基蛋白复合体的形式发挥功能，参与基因的转录激活(Brownell et al., 1996)。真核生物中已发现的包含GCN5的蛋白复合体包括：物种间保守的SAGA复合体、酵母特异的ADA复合体、后生动物特异的ATAC复合体(Grant et al., 1997; Spedale et al., 2012)。在之前的研究中，何新建实验室在模式植物拟南芥中系统鉴定了SAGA复合体的组分，发现了该复合体中的多个植物特异亚基，并揭示了它们作用的分子机制(Wu et al., 2021)，然而，目前尚不清楚是否存在植物特异的包含GCN5的组蛋白乙酰化酶复合体；如果存在，它如何与保守的SAGA复合体协同作用调控基因组上不同位置的组蛋白乙酰化修饰。

2023年3月6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杂志发表了题为“Conserved and plant-specific histone acetyltransferase complexes cooperate to regulate gene transcription and plant development”的研究论文。该研究首次在拟南芥和水稻中鉴定到植物特异的包含GCN5的组蛋白乙酰化酶复合体，将其命名为PAGA(plant-ADA2A-GCN5-acetyltransferase)，揭示了PAGA和 SAGA通过协同作用调控组蛋白乙酰化、基因转录和生长发育的分子机制。

该研究通过亲和纯化联合质谱分析，在拟南芥和水稻中鉴定到植物特异的包含GCN5的蛋白复合体。拟南芥PAGA复合体由GCN5和ADA2A两个保守亚基以及SPC、ING1、EAF6和SDRL四个植物特异亚基组成；其中GCN5是PAGA和SAGA复合体的共有亚基，EAF6是PAGA和NuA4类型组蛋白乙酰化酶复合体的共有亚基(图1)。通过酵母双杂交和pull-down实验发现， SPC在PAGA复合体中起到支架蛋白的作用，组蛋白乙酰化酶GCN5通过桥梁蛋白ADA2A被招募到SPC上，其余亚基直接结合在SPC上(图1)。生化实验结果显示，SPC不仅能够增强ING1结合甲基化H3K4多肽的能力，还能够增强GCN5-ADA2A乙酰化组蛋白H3的能力，揭示了PAGA复合体介导组蛋白乙酰化修饰的分子机制。

图1：PAGA组蛋白乙酰化酶复合体的鉴定和分析

通过ChIP-seq和RNA-seq分析，该研究发现PAGA和SAGA均富集在转录起始位点(transcription start sites, TSS)附近，两者既具有共同靶基因又具有特异靶基因，在各自的特异靶基因上介导H3K9Ac和H3K14Ac修饰，从而促进基因转录。通过分析了PAGA和SAGA特异靶基因的组蛋白修饰水平，发现PAGA和SAGA分别介导中等水平和高水平的组蛋白乙酰化，进而介导基因转录(图2)。生化分析发现，拟南芥中PAGA亚基ADA2A和SAGA亚基ADA2B的突变都会显著降低GCN5的乙酰化活性，且ADA2B突变引起的GCN5乙酰化活性的降低明显强于ADA2A突变，说明SAGA比PAGA具有更强的组蛋白乙酰化活性，揭示了SAGA和PAGA分别介导高水平和中等水平的组蛋白乙酰化的分子机理。

有趣地，该研究发现PAGA突变和SAGA突变对基因表达的影响呈显著负相关，即SAGA突变体ada2b中的大量下调基因在PAGA突变体中上调，反之亦然，表明SAGA 和PAGA在基因表达调控方面的拮抗作用。进一步通过遗传手段获得PAGA和SAGA双突变体，发现PAGA突变不仅可以部分恢复SAGA突变体ada2b的发育缺陷，也可以部分恢复ada2b的基因表达变化，证实了PAGA 和 SAGA 在调节基因表达和生长发育方面的拮抗作用。在此基础上，该研究提出了PAGA与SAGA协同调控基因表达和生长发育的工作模型：SAGA和PAGA一方面能够分别在各自所主导的靶基因上介导组蛋白乙酰化，从而激活基因转录；另一方面能够在对方所主导的靶基因上抑制对方的组蛋白乙酰化活性，从而抑制基因转录(图2)。此外，该研究发现，SAGA调节大量基因表达，参与调控多种生物学过程；而PAGA所调节的基因数量较少，通过特异调节激素生物合成及响应相关基因的表达调控植株的株高和分枝形成(图2)。鉴于PAGA突变体表现出半矮化和分枝增加的表型，且种子产量并未明显降低，未来可考虑将PAGA突变用于作物改良。

图2：PAGA和SAGA协同调节基因转录和植物发育

何新建课题组已毕业博士生吴婵娟为该论文的第一作者，何新建研究员为通讯作者。其余作者包括袁丹阳、刘真真、徐鑫、魏龙、蔡雪薇、苏银娜、李琳和陈涉研究员。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和北京市政府的资助。

1. Brownell JE, Zhou J, Ranalli T, Kobayashi R, Edmondson DG, Roth SY, Allis CD. Tetrahymena histone acetyltransferase A: a homolog to yeast Gcn5p linking histone acetylation to gene activation. Cell, 1996, 84, 843-851.

2. Grant PA, Duggan L, Côté J, Roberts SM, Brownell JE, Candau R, Ohba R, Owen-Hughes T, Allis CD, Winston F, Berger SL, Workman JL. Yeast Gcn5 functions in two multisubunit complexes to acetylate nucleosomal histones: characterization of an Ada complex and the SAGA (Spt/Ada) complex. Genes Dev, 1997, 11, 1640-1650.

3. Spedale G, Timmers HT, Pijnappel WW. ATAC-king the complexity of SAGA during evolution. Genes Dev, 2012, 26, 527-541.

4. Wu CJ, Liu ZZ, Wei L, Zhou JX, Cai XW, Su YN, Li L, Chen S, He XJ. Three functionally redundant plant-specific paralogs are core subunits of the SAGA histone acetyltransferase complex in Arabidopsis. Mol Plant, 2021, 14, 1071-1087.

https://www.nature.com/articles/s41477-023-01359-3