李漢梁，陳素珠，洪蟬緣，林雪嬌

（福建師范大學(xué)，福建 福州 350108）

在植物生長發(fā)育過程中，植物的應(yīng)答調(diào)控對植物適應(yīng)外界環(huán)境變化，進行正常的生長、發(fā)育與再生起著至關(guān)重要的作用。有些應(yīng)答決定著植物正常的生長與發(fā)育的時機，如植物對于開花的時機的調(diào)控受光周期、春化作用等的影響［1］。有些應(yīng)答使植物可以在一定程度上適應(yīng)不良的環(huán)境，得以生存下來，如對低溫的應(yīng)答反應(yīng)、對鹽的應(yīng)答反應(yīng)、對病原菌的免疫應(yīng)答反應(yīng)和對干旱的應(yīng)答反應(yīng)等。表觀遺傳學(xué)是20世紀(jì)80年代逐漸興起的一門學(xué)科，研究的是在不改變DNA序列的前提下，某些機制所引發(fā)的可穩(wěn)定遺傳的基因表達或細胞表型的變化［2］。本文總結(jié)了組蛋白變體H2A.Z在擬南芥各種應(yīng)答反應(yīng)中所扮演的角色，闡述了組蛋白的甲基化修飾對于擬南芥開花過程調(diào)控的重要意義，并列舉了擬南芥其他一些應(yīng)答反應(yīng)的表觀遺傳學(xué)調(diào)控機理。

1 表觀遺傳學(xué)調(diào)控在應(yīng)答反應(yīng)中的調(diào)控作用

表觀遺傳學(xué)研究的方向大體可分為兩類：研究基因的選擇性轉(zhuǎn)錄表達調(diào)控與基因轉(zhuǎn)錄后調(diào)控。其中，前者研究的現(xiàn)象包括染色質(zhì)的重塑、組蛋白的共價修飾、DNA的甲基化、基因印記及假基因等；后者研究的現(xiàn)象包括RNA的可變剪接、非編碼的RNA、核糖開關(guān)等。組蛋白依據(jù)凝膠電泳性質(zhì)分為5類：H1、H2A、H2B、H3、H4。由核心組蛋白H2A、H2B、H3、H4各兩個拷貝組成組蛋白八聚體，組蛋白八聚體在組蛋白H1的作用下形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其周圍纏繞的核心DNA約1.65圈、合147個堿基對，再加上鄰近的一段20～50個堿基對的DNA連接子共同構(gòu)成染色質(zhì)的基本單位——核小體［3］。核小體這種緊密的結(jié)構(gòu)不利于轉(zhuǎn)錄的進行，通過染色質(zhì)的重塑、組蛋白變體的相互作用和組蛋白的共價修飾可以改變這種情況。雖然組蛋白八聚體中組蛋白變異體的功能尚未完全明確，但組蛋白變異體形成的明顯不同的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)確實起到了重要的生物學(xué)作用。在核心組蛋白中H2A家族的變異體種類最多，目前在自然界（包括動物和部分植物）中存在H2A.Z、MacroH2A、H2A.Bbd、TH2A和 H2A.X這五種變體均能參與核小體的形成，影響核小體的穩(wěn)定性［3］。在核心組蛋白中有兩個結(jié)構(gòu)域：組蛋白球形折疊區(qū)和氨基末端（N端）結(jié)構(gòu)域。其中，氨基末端伸出核小體，可與調(diào)控蛋白和DNA相互作用，上面的一些特異位點常被組蛋白修飾酶共價修飾，這些修飾包括乙?；?、甲基化、磷酸化、ADP核糖基化、泛素化、SUMMO化和羥基化等［3］。

2 擬南芥應(yīng)答基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控中的H2A.Z

H2A.Z在擬南芥的基因表達調(diào)控中扮演著重要的角色。擬南芥中ARP6基因編碼的蛋白是SWR1復(fù)合物的重要組成，是升溫應(yīng)答調(diào)控中的重要因子。ARP6的突變會引發(fā)H2A.Z的缺失，從而導(dǎo)致擬南芥在正常溫度下異常啟動溫度應(yīng)答基因，表現(xiàn)出在溫暖環(huán)境中的表型［4］。常溫（22℃）下，在溫度應(yīng)答基因的啟動位點的第一個核小體處有H2A.Z的聚集，而在較溫暖的環(huán)境（27℃）中H2A.Z會減少或被替換為正常的H2A。此外，在環(huán)境溫度改變的信號引發(fā)的基因激活或抑制中都有H2A.Z丟失的現(xiàn)象。這些數(shù)據(jù)顯示在轉(zhuǎn)錄起始位點的H2A.Z的存在有助于基因的應(yīng)答調(diào)控。在磷酸鹽缺乏的應(yīng)答反應(yīng)［5］與系統(tǒng)獲得性應(yīng)答中也有相似的現(xiàn)象［6］。在ARP6突變的植株中磷酸鹽缺乏的應(yīng)答基因會在正常情況下啟動，并使植物表現(xiàn)出與磷酸鹽缺乏類似的性狀。在野生型植株中，這些基因在轉(zhuǎn)錄起始位點附近的核小體中都含有H2A.Z，并在正常情況下維持在一個比較低的表達水平［5］。系統(tǒng)獲得性抗性基因在植物激素水楊酸的調(diào)控下正常表達，但在H2A.Z突變及SWR的組成成分PIE1和SEF突變體中處于持續(xù)表達狀態(tài)，并使植株表現(xiàn)出自發(fā)的細胞死亡和病院抗性的增強［6］。在實驗中，H2A.Z或SWR1復(fù)合體發(fā)生突變應(yīng)答基因表現(xiàn)出了與正常植株在相應(yīng)誘導(dǎo)信號出現(xiàn)時相同的轉(zhuǎn)錄水平的改變。綜上所述，H2A.Z的功能很可能是用來在沒有相應(yīng)誘導(dǎo)信號出現(xiàn)時抑制應(yīng)答基因的表達。

利用基因組分析技術(shù)發(fā)現(xiàn)，在擬南芥中H2A.Z不僅如其他生物一樣在轉(zhuǎn)錄起始位點的第一個核小體上聚集，還出現(xiàn)在一些低表達的基因體（gene body）中［7］。有趣的是有研究表明那些在基因體中的H2A.Z與基因的較高級的應(yīng)答調(diào)控相關(guān)［8］。H2A.Z會在那些對環(huán)境或變化的刺激進行應(yīng)答的基因體中聚集，如果H2A.Z缺失會導(dǎo)致這些基因的轉(zhuǎn)錄發(fā)生錯誤的調(diào)控。研究者們認(rèn)為在基因體中的H2A.Z使基因的表達更具變化性。在擬南芥中在上述脅迫應(yīng)答基因中發(fā)生的基因誘導(dǎo)和動態(tài)的核小體的重塑顯著改變了核小體的密度與組蛋白的修飾［9］。H2A.Z可能在一定程度上參與了應(yīng)力應(yīng)答基因的基因體中核染色質(zhì)的動態(tài)改變。而基因的誘導(dǎo)可以引發(fā)組蛋白的置換。擬南芥中另一個保守的組蛋白變體H3.3存在于那些處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)的基因的啟動子與基因體中，并可能參與組蛋白的置換［10］。在人體細胞中，如果核小體中同時存在H2A.Z與H3.3會是其相比于那些含H2A／H3或含 H2A.Z／H3的核小體穩(wěn)定性差［11－12］。同時含H2A.Z和H3.3的核小體的這種不穩(wěn)定性也許有利于基因體中核小體的移除并促進染色質(zhì)重塑和組蛋白修飾，使染色質(zhì)變得有利于轉(zhuǎn)錄激活的進行。也可能這種不穩(wěn)定性本身使細胞對胞內(nèi)環(huán)境敏感從而作為胞內(nèi)外信號的傳感器，在植物的應(yīng)答反應(yīng)中可能也存在類似的機制。

3 擬南芥開花調(diào)控中的組蛋白甲基化修飾

目前認(rèn)為組蛋白甲基化只發(fā)生在組蛋白的賴氨酸殘基和精氨酸殘基上，其中賴氨酸可以被單、雙、三甲基化，而精氨酸殘基能夠形成單、雙甲基化，其中精氨酸的雙甲基化還可分為對稱與不對稱兩種類型［3］。在組蛋白中已發(fā)現(xiàn)的會發(fā)生甲基化的位點常見的有H3中第4、9、27、36、79位，H4中第20位的賴氨酸殘基與H3中第2、8、17、26位，H4中第3位的精氨酸殘基［13］。

一般情況下，H3K9與H3K27的甲基化與基因沉默相關(guān)，H3K4與H3K36的甲基化與基因的激活相關(guān)［3］，H4K20的甲基化與DNA的損傷應(yīng)答有關(guān)［3］，關(guān)于組蛋白精氨酸甲基化修飾的生物學(xué)功能現(xiàn)在研究得較少，H3R2me2a不對稱的雙甲基化（asymmetric）會拮抗H3K4的三甲基化［5］，因此可能與基因表達抑制相關(guān)。

在植物中FLC編碼的蛋白是開花過程中起決定作用的負調(diào)控因子，在擬南芥中它受FRI依賴途徑、自主途徑、春化途徑、光周期途徑和赤霉素信號途徑的共同調(diào)控。其中FRI依賴途徑、自主途徑與春化途徑都是通過改變FLC染色體的結(jié)構(gòu)調(diào)控開花過程的，組蛋白甲基化修飾在其中扮演著重要的角色。

H3K4、H3K36和H3K79的甲基化能促進FLC的表達；而H3K9與H3K27的甲基化會抑制FLC的表達［14－17］。FRI依賴途徑在開花時間的調(diào)控中起重要作用是擬南芥所特有的，與其他植物相比在C24型擬南芥中FRI依賴途徑對于開花時間的調(diào)控可以取代部分自主途徑的調(diào)控。參與FRI依賴途徑的ELF7和ELF8是FLC發(fā)生H3K4甲基化所必須［16］，在初始階段由ELF7、ELF8和VIP4等組成的PAF1復(fù)合物通過招募EFS來甲基化FLC中的H3K4。之后PAF1結(jié)合EFS后可以通過識別這一甲基化信號起始FLC的轉(zhuǎn)錄的并在EFS的作用下進一步促進H3K4的甲基化［18］。另外PIE1同樣是通過對這一甲基化信號的識別而結(jié)合到FLC的核心體中起到穩(wěn)定這一狀態(tài)的作用，維持FLC的高表達［19］。這一機制的存在能有效的防止擬南芥過早開花，同時對這一機制的阻斷是其他促進開花的調(diào)控的主要手段。

在擬南芥自主途徑抑制因子FLD和FVE可以促進FLC的去乙酰化進程［20－21］，來阻止ELF7和ELF8的結(jié)合，抑制FLC的表達。另外還有研究發(fā)現(xiàn)，在擬南芥中存在一種具有催化FLC中H3K36的甲基化活性的甲基轉(zhuǎn)移酶——SDG8，其對FLC表達的促進作用不受春化作用與光周期調(diào)控的影響［17］。

在擬南芥的春化調(diào)控途徑中，VIN3在春化過程中被誘導(dǎo)表達，并與相關(guān)蛋白組成組蛋白去乙?；瘡?fù)合物HDAC特異的去乙酰化FLC的H3K9和H3K14阻止EFS對H3K4的甲基化，進而阻斷PAF1復(fù)合物對 FLC的轉(zhuǎn)錄［23－24］。在春化作用后，VIN3表達由于缺少春化作用的持續(xù)誘導(dǎo)而下調(diào)，對FLC表達的抑制逐漸消失［23］，但在此階段VRN1與VRN2會將促進FLC中H3K9與H3K27的雙甲基化，是FLC異染色質(zhì)化，從而在春化作用后對FLC進行持續(xù)性的抑制，促進開花［25］。

在2004年第一個組蛋白的去甲基化酶LSD1（lysine specific demethylase 1）被發(fā)現(xiàn)前，組蛋白的甲基化一直被認(rèn)為是不可逆的［26］。隨著組蛋白去甲基化酶的陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，完善了組蛋白甲基化修飾的調(diào)控機制，表明組蛋白的甲基化修飾是一種更為動態(tài)的過程，為表觀遺傳學(xué)的研究提供了新的突破口。除了LSD家族，還存在具有更廣泛組蛋白去甲基化酶活性的JMJC家族的蛋白。在擬南芥中目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了4種與LSD1同源的組蛋白去甲基化酶和21個JMJC家族成員［27］，其中8個已被報道具有一定的生物功能。其中JMJC蛋白對開花的調(diào)控研究得相對較多。其中ELF6（Early Flowering 6）／JMJ11在光周期調(diào)控中起作用，抑制開花［28］。JMJ14催化開花抑開花途徑整合因子FT、AP、SOC1與LFY中H3K4的去甲基化，防止早花［29］。而REF6（Relative of Early Flowering 6）／JMJ12、JMJ15與JMJ18會抑制FLC的表達而促進開花。其中JMJ15是H3K4me3的組蛋白去甲基化酶，JMJ18是H3K4me2／3的組蛋白去甲基化酶，均能下調(diào)FLC中 H3K4的甲基化程度［30－32］。

4 擬南芥應(yīng)答機制中的其他一些表觀遺傳學(xué)調(diào)控機制

在不同的生物中，H2A.Z與DNA的甲基化的分布在全基因組中呈負相關(guān)性［7，33］，在擬南芥中也不例外［7］。這種明顯的負相關(guān)性，DNA甲基化與H2A.Z被認(rèn)為可能會相互排斥［7］。但在后續(xù)研究中發(fā)現(xiàn)，全局性的DNA去甲基化會使H2A.Z在正常會被甲基化的基因中聚集，而全局性的破壞H2A.Z并不影響 DNA 的甲基化水平［7－8］。其中DNA去甲基化導(dǎo)致的H2A.Z的插入的原因還有待進一步研究。

與H3和H4的乙酰化相比，H3K4me3的甲基化在擬南芥對干旱的應(yīng)答反應(yīng)中，同樣隨著脅迫的出現(xiàn)而快速被誘導(dǎo)起作用，但在應(yīng)力消失后，乙?；杆倩謴?fù)到誘導(dǎo)前水平，而H3K4me3還會在一定時間內(nèi)維持一定的水平，發(fā)揮著轉(zhuǎn)錄記憶功能［34－37］。另外，H2B的單泛素化（H2Bub）在擬南芥光形態(tài)發(fā)生過程中促進了應(yīng)答的快速反應(yīng)［38］。

另外在擬南芥中，乙酰轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物GCN5的異常會影響開花、結(jié)莢、及對鹽和低溫的耐受能力［39］，而去乙?；笍?fù)合物 HDA6與HDA19均參與了對病原入侵的防御應(yīng)答和對鹽的應(yīng)答調(diào)控［40－43］。

5 結(jié)語

植物對外界刺激的應(yīng)答反應(yīng)是植物對不良反應(yīng)的適應(yīng)能力。在這些應(yīng)答反應(yīng)中，表觀遺傳調(diào)控這種高效、可塑的調(diào)控機制對于使植物可以在合適的時機進行生殖生長，在資源有限的環(huán)境中充分利用資源以及防御災(zāi)害使植物的種族得以延續(xù)中是至關(guān)重要的。目前，應(yīng)答反應(yīng)中的表觀遺傳學(xué)研究才剛剛開始，許多機制的研究還不成系統(tǒng)，更談不上把這些付諸應(yīng)用實踐。

［1］PUTTERILL J，LAURIE R，MACKNIGHT R.It’s time to flower：the genetic control of flowering time ［J］.Bioessays，2004，26（4）：363－373.

［2］SPECTOR T.Identically Different：Why You Can Change Your Genes［M］.London：Weidenfeld ＆ Nicolson.：Orion，2012.

［3］蔡祿，趙秀娟，劉國慶，等 .表觀遺傳學(xué)前沿 ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2012.

［4］KUMAR SV，WIGGE PA.H2A.Z－containing nucleosomes mediate the thermosensory response in Arabidopsis ［J］.Cell，2010，140（1）：136－147.

［5］SMITH AP，JAIN A，DEAL RB，et al.Histone H2A.Z Regulates the Expression of Several Classes of Phosphate Starvation Response Genes But Not as a Transcriptional Activator ［J］.Plant Physiology，2010，152（1）：217－225.

［6］MARCH－DIAZ R，GARCIA－DOMINGUEZ M，LOZANOJUSTE J，et al.Histone H2A.Z and homologues of components of the SWR1complex are required to control immunity in Arabidopsis［J］.Plant Journal，2008，53（3）：475－487.

［7］ZILBERMAN D，COLEMAN－DERR D，BALLINGER T，et al.Histone H2A.Z and DNA methylation are mutually antagonistic chromatin marks ［J］.Nature，2008，456（7218）：125－129.

［8］COLEMAN－DERR D，ZILBERMAN D.Deposition of Histone Variant H2A.Z within Gene Bodies Regulates Responsive Genes ［J］.Plos Genetics，2012，8（10）.

［9］CHINNUSAMY V，ZHU JK.Epigenetic regulation of stress responses in plants ［J］.Curr Opin Plant Biol，2009，12（2）：133－139.

［10］WOLLMANN H，HOLEC S，ALDEN K，et al.Dynamic deposition of histone variant H3.3accompanies developmental remodeling of the Arabidopsis transcriptome ［J］.PLoS Genet，2012，8（5）：1002658.

［11］JIN C，F(xiàn)ELSENFELD G.Nucleosome stability mediated by histone variants H3.3and H2A.Z ［J］.Genes Dev，2007，21（12）：1519－1529.

［12］JIN C，ZANG C，WEI G，et al.H3.3／H2A.Z double variantcontaining nucleosomes mark‘nucleosome－free regions’of active promoters and other regulatory regions ［J］.Nat Genet，2009，41（8）：941－945.

［13］徐龍勇，陳德桂 .組蛋白去甲基化酶研究進展 ［J］.生命科學(xué)，2010（2）：109－114.

［14］BANNISTER AJ，ZEGERMAN P，PARTRIDGE JF，et al.Selective recognition of methylated lysine 9on histone H3by the HP1chromo domain ［J］.Nature，2001，410（6824）：120－124.

［15］CAO R，WANG L，WANG H，et al.Role of histone H3lysine 27methylation in Polycomb－group silencing［J］.Science，2002，298（5595）：1039－1043.

［16］HE YH，DOYLE MR，AMASINO RM.PAF1－complex－mediated histone methylation of FLOWERING LOCUS C chromatin required for the vernalization－responsive，winter－annual habit in Arabidopsis ［J］.Gene Dev，2004，18（22）：2774－2784.

［17］ZHAO Z，YU Y，MEYER D，et al.Prevention of early flowering by expression of FLOWERING LOCUS C requires methylation of histone H3K36 ［J］.Nat Cell Biol，2005，7（12）：1256－1260.

［18］SOPPE WJJ，BENTSINK L，KOORNNEEF M.The earlyflowering mutant efs is involved in the autonomous promotion pathway of Arabidopsis thaliana ［J］.Development，1999，126（21）：4763－4770.

［19］BASTOW R，MYLNE JS，LISTER C，et al.Vernalization requires epigenetic silencing of FLC by histone methylation［J］.Nature，2004，427（6970）：164－167.

［20］AUSIN I，ALONSO－BLANCO C，JARILLO JA，et al.Regulation of flowering time by FVE，a retinoblastoma－associated protein ［J］.Nat Genet，2004，36（2）：162－166.

［21］KIM HJ，HYUN Y，PARK JY，et al.A genetic link between cold responses and flowering time through FVE in Arabidopsis thaliana ［J］.Nat Genet，2004，36（2）：167－171.

［22］KIM SY，HE YH，JACOB Y，et al.Establishment of the vernalization－responsive，winter－annual habit in Arabidopsis requires a putative histone H3methyl transferase ［J］.Plant Cell，2005，17（12）：3301－3310.

［23］SUNG SB，AMASINO RM.Vernalization in Arabidopsis thaliana is mediated by the PHD finger protein VIN3 ［J］.Nature，2004，427（6970）：159－164.

［24］SUNG SB，AMASINO RM.Vernalization and epigenetics：how plants remember winter ［J］.Current Opinion in Plant Biology，2004，7（1）：4－10.

［25］GENDALL AR，LEVY YY，WILSON A，et al.The VERNALIZATION 2gene mediates the epigenetic regulation of vernalization in Arabidopsis［J］.Cell，2001，107（4）：525－535.

［26］SHI Y，LAN F，MATSON C，et al.Histone demethylation mediated by the nuclear amine oxidase homolog LSD1 ［J］.Cell，2004，119（7）：941－953.

［27］LU F，LI G，CUI X，et al.Comparative analysis of JmjC domain－containing proteins reveals the potential histone demethylases in Arabidopsis and rice ［J］.J Integr Plant Biol，2008，50（7）：886－896.

［28］YU X，LI L，GUO M，et al.Modulation of brassinosteroidregulated gene expression by Jumonji domain－containing proteins ELF6and REF6in Arabidopsis ［J］.Proc Natl Acad Sci U S A，2008，105（21）：7618－7623.

［29］SEARLE IR，PONTES O，MELNYK CW，et al.JMJ14，a JmjC domain protein，is required for RNA silencing and cellto－cell movement of an RNA silencing signal in Arabidopsis［J］.Gene Dev，2010，24（10）：986－991.

［30］NOH B，LEE SH，KIM HJ，et al.Divergent roles of a pair of homologous jumonji／zinc－finger－class transcription factor proteins in the regulation of Arabidopsis flowering time ［J］.Plant Cell，2004，16（10）：2601－2613.

［31］YANG H，MO H，F(xiàn)AN D，et al.Overexpression of a histone H3K4demethylase，JMJ15，accelerates flowering time in Arabidopsis［J］.Plant Cell Rep，2012，31（7）：1297－1308.

［32］YANG H，HAN Z，CAO Y，et al.A companion cell－dominant and developmentally regulated H3K4demethylase controls flowering time in Arabidopsis via the repression of FLC expression ［J］.PLoS Genet，2012，8（4）：e1002664.

［33］ZEMACH A，MCDANIEL IE，SILVA P，et al.Genome－wide evolutionary analysis of eukaryotic DNA methylation ［J］.Science，2010，328（5980）：916－919.

［34］ALVAREZ－VENEGAS R，AL ABDALLAT A，GUO M，et al.Epigenetic control of a transcription factor at the cross section of two antagonistic pathways ［J］.Epigenetics，2007，2（2）：106－113.

［35］JASKIEWICZ M，CONRATH U，PETERHANSEL C.Chromatin modification acts as a memory for systemic acquired resistance in the plant stress response ［J］.Embo Reports，2011，12（1）：50－55.

［36］DING Y，F(xiàn)ROMM M，AVRAMOVA Z.Multiple exposures to drought‘train’transcriptional responses in Arabidopsis［J］.Nat Commun，2012，3：740.

［37］KIM JM，TO TK，ISHIDA J，et al.Transition of chromatin status during the process of recovery from drought stress in Arabidopsis thaliana ［J］.Plant Cell Physiol，2012，53（5）：847－856.

［38］BOURBOUSSE C，AHMED I，ROUDIER F，et al.Histone H2Bmonoubiquitination facilitates the rapid modulation of gene expression during Arabidopsis photomorphogenesis［J］.PLoS Genet，2012，8（7）：e1002825.

［39］VLACHONASIOS KE，THOMASHOW MF，TRIEZENBERG SJ.Disruption mutations of ADA2band GCN5transcriptional adaptor genes dramatically affect Arabidopsis growth，development，and gene expression ［J］.Plant Cell，2003，15（3）：626－638.

［40］ZHOU CH，ZHANG L，DUAN J，et al.HISTONE DEACETYLASE19is involved in jasmonic acid and ethylene signaling of pathogen response in Arabidopsis ［J］.Plant Cell，2005，17（4）：1196－1204.

［41］WU K，ZHANG L，ZHOU C，et al.HDA6is required for jasmonate response，senescence and flowering in Arabidopsis［J］.J Exp Bot，2008，59（2）：225－234.

［42］CHEN LT，LUO M，WANG YY，et al.Involvement of Arabidopsis histone deacetylase HDA6in ABA and salt stress response ［J］.J Exp Bot，2010，61（12）：3345－3353.

［43］CHEN LT，WU K.Role of histone deacetylases HDA6and HDA19in ABA and abiotic stress response ［J］.Plant Signal Behav，2010，5（10）：1318－1320.