三维基因组在真核生物的发育过程和基因调控中起着重要作用。哺乳动物和果蝇中有清晰的基因组结构层级划分，且两者中分别存在由结构蛋白CTCF调控的拓扑相关结构域（topological associated domain，TAD），或由组蛋白修饰调节的区室结构域（compartment domain，CD）。植物中，特别是模式植物拟南芥中是否存在类似结构一直是争议所在。同时，作为调控植物发育过程转换的重要复合物，多梳蛋白复合物（Polycomb complex）也参与对三维基因组的调控。然而，相较PRC2及其介导的H3K27me3修饰，PRC1和H2AK121ub对于三维基因组的调控机理尚不明晰。

 

     2023年4月18日，蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、北京大学现代农学院、北京大学-清华大学生命科学联合中心周岳课题组在The Plant Cell上在线发表了题为“Binding by the Polycomb complex component BMI1 and H2A monoubiquitination shape local and long-range interactions in the Arabidopsis genome”的研究论文，阐述了BMI1和组蛋白H2A单泛素化对拟南芥三维基因组的调控作用。

 

     该研究首先通过高深度的HiC数据，结合组蛋白修饰信息，将拟南芥基因组划分为三种分别由H3K27me1、H3K27me3和H3K4me3主导的CD，发现CD的边界常为较开放的区域且缺少组蛋白修饰。H2AK121ub修饰并未富集在特定的CD上，但它常与其他修饰，特别是H3K4me3，在基因上共定位。结合BMI1的ChIP-seq数据和已发表的基因分辨率的染色质环位置信息，该研究进而发现BMI1-H2AK121ub介导的染色质环富集H3K4me3修饰，其强度相较仅存在H3K4me3的染色质环弱。而H2AK121ub-H3K4me3共同修饰的基因相较仅有H3K4me3修饰的基因表达稍低，这说明H2AK121ub在与H3K4me3共定位后抑制了染色质环的形成，进而抑制了基因表达。最后，该研究结合bmi1abc和clfswn突变体的HiC数据，发现三种CD内部的相互作用强度均在突变体中下降，且对CD内部的基因表达造成影响。bmi1abc突变体中出现了野生型和clfswn突变体中没有的远距离相互作用，互作区的基因表达降低。新出现的相互作用位点有明显的H3K27me1修饰，其形成与bmi1abc突变体中H2AK121ub的降低相关。综上所述，该研究揭示了PRC1协同PRC2维持CD内部相互作用，独立于PRC2阻止局部和远程相互作用的调控方式，揭示了多梳蛋白复合物调控植物三维基因组的分子机理。

 

PRC1介导的H2AK121ub参与调控局部或远程的染色质相互作用

 

     北京大学周岳研究员和西班牙植物生物化学和光合作用研究所Myriam Calonje研究员为论文共同通讯作者。北大博雅博士后尹晓畅、西班牙植物生物化学和光合作用研究所助理研究员Francisco J Romero-Campero、北京大学现代农学院博士生杨敏琪为论文共同第一作者。北京大学生科院秦跟基教授，和扬州大学、浙江大学等单位也参与了该研究。该研究得到国家自然科学基金、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、北京大学现代农学院、北京大学-清华大学生命科学联合中心的资助。

 

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