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DNA缠绕组蛋白八聚体形成的核小体结构是真核生物染色质的基本单位。组蛋白上具有多种共价修饰,这些修饰对染色质功能具有调控作用。组蛋白甲基化是研究最为深入的共价修饰之一,可发生在组蛋白多个赖氨酸(Lys)和精氨酸(Arg)位点上,受到甲基转移酶和去甲基化酶的动态调控。鉴定这些组蛋白修饰酶的生化活性,并研究它们靶向基因组中特定区域的分子机理,是表观遗传学领域最重要的科学问题之一。 拟南芥RELATIVE OF EARLY FLOWERING6(REF6)是含有JmjC结构域的组蛋白去甲基化酶。实验室前期工作发现,REF6可以特异去除组蛋白H3第27位赖氨酸的三甲基化(H3K27me3)和二甲基化(H3K27me2)修饰,并影响拟南芥基因组中超过600个基因位点的H3K27me3水平。然而,REF6特异性结合这些靶基因的分子机制还不清楚。本研究通过遗传学、生物化学以及基因组学等手段深入研究REF6锌指(Zinc Finger,ZnF)结构域的功能,揭示了REF6通过串联锌指结构域识别特异DNA序列,进而被招募到基因组特定区域的分子机制。 通过遗传分析我们发现截除ZnF结构域的REF6(REF6△ZnF)无法互补突变体表型,表明ZnF结构域对REF6的功能是必需的。通过烟草瞬时表达和拟南芥过表达REF6△ZnF,我们发现REF6△ZnF蛋白仍然具有去甲基化活性。为了研究ZnF结构域对REF6结合染色质的影响,我们通过染色质免疫共沉淀结合高通量测序(ChIP-seq)鉴定了全长REF6和REF6△ZnF的结合位点。生物信息学分析表明,全长REF6在基因组的2,800多个基因位点上有明显的信号富集,而REF6△ZnF只在20个基因位点有富集,说明ZnF结构域对REF6识别靶基因具有关键作用。对REF6结合序列的进一步分析表明,76%的结合序列中富集CTCTGYTY基序(Y代表T或C),并且该序列在REF6结合位点中呈中心分布,暗示其参与了REF6的招募。通过凝胶阻滞实验,我们证明原核表达的REF6片段可以与含有CTCTGYTY基序的双链DNA在体外互作,并且证明突变重组蛋白的ZnF结构域或DNA片段的CTCTGYTY基序会导致二者互作的明显减弱甚至消失。 进一步分析发现,拟南芥基因组中共有37,812个CTCTGYTY基序,其中约15%分布在REF6结合的区域内,暗示可能存在其它因素影响REF6结合的特异性。我们对CTCTGYTY序列周边染色质状态进行了分析,发现REF6倾向于结合转录活跃的区域,而不结合异染色质区的基序。另外,基因组中CTCTGYTY基序密集的区域更倾向于被REF6结合。同时,REF6结合区域内CTCTGYTY基序的数目与结合强度呈正相关,表明密集的CTCTGYTY基序对REF6结合有促进作用。 在拟南芥基因组中,REF6对这一特定基序的选择性结合具有何种生物学功能是另一个重要的问题。以子叶边界形成为例,前人研究发现拟南芥CUP-SHAPEDCOTYLEDON1(CUC1),CUC2和CUC3三个功能冗余的转录因子参与了子叶边界分离过程。染色质免疫共沉淀实验表明,REF6结合CUC1和CUC3基因位点,但不结合CUC2基因。与之一致,CUC1和CUC3基因位点分别含有6个和2个CTCTGYTY基序,而CUC2基因位点不含有此基序。REF6突变导致CUC1基因H3K27me3水平上升、转录下调,表明REF6参与了CUC1基因的转录激活。re f6与cuc突变体的遗传分析进一步证实REF6通过CUC1和CUC3基因而不是CUC2基因参与子叶边界形成。 我们的工作揭示了组蛋白去甲基化酶特异性招募的一种新模式,即通过串联ZnF结构域识别特异的DNA基序,并且结合强度受到染色质状态和基序密度的调控。由于REF6同源蛋白广泛存在于从苔藓到被子植物的不同植物类群,进一步研究这些蛋白ZnF结构域识别的DNA序列,将揭示不同物种中REF6同源蛋白的结合位点特异性。