拟南芥DNA结合转录因子2(DTF2)与染色质重塑复合体SWI/SNF互作并参与调控DNA甲基化、基因转录和叶片发育

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DNA甲基化是一个重要的表观遗传学修饰并在转座子和重复序列转录沉默、染色质结构维系、基因印记和生长发育等方面起着至关重要的作用。植物DNA甲基化的从头合成主要通过RNA介导的DNA甲基化(RdDM)通路,由24nt小干扰RNA和结构域重排甲基转移酶2(DRM2)催化。  DNA结合转录因子1(DTF1),也被称为SAWADEE HOMEO结构域同源蛋白1(SHH1),能够利用其SAWADEE结构域结合H3K4me0/H3K9me2,并且对于RNA聚合酶Ⅳ招募到RdDM位点是必需的。DNA结合转录因子2(DTF2),也被称为SAWADEE HOMEO结构域同源蛋白2(SHH2)是DTF1的同源蛋白,两者氨基酸序列同源并且具有相同的结构域。因为缺少有效的缺失突变体,拟南芥中DTF2的蛋白功能仍然未知。  鉴于DTF1和DTF2互为同源蛋白,推测DTF2与DTF1在RdDM通路PolⅣ招募到富含H3K9me1和H3K9me2的异染色质区域的过程中存在功能冗余。为了验证这一假设,利用CRISPR-Cas9技术敲除DTF2基因并获取了dtf2纯合突变体。出乎意料的是发现DTF2并不像DTF1一样影响ROS1基因的转录,而是仅仅影响极少一部分独立于RdDM位点的DNA甲基化。这些结果显示虽然DTF2与DTF1同源,但是DTF2在DNA甲基化方面并不与DTF1存在功能冗余。  DTF1和DTF2免疫沉淀-质谱分析结果显示DTF1与PolⅣ互作而DTF2则与SWI/SNF染色质重塑复合体互作。这一结果暗示DTF1与DTF2在体内可能存在截然不同的功能:DTF1与PolⅣ互作并参与RdDM通路而DTF2则与SWI/SNF复合体互作并可能参与染色质重塑。酵母双杂交筛库、酵母双杂交和双分子荧光互补实验显示DTF2主要依赖其SAWADEE结构域通过SWI/SNF复合体的核心组分ARP4、ARP7和SWP73A、SWP73B与SWI/SNF染色质重塑复合体互作。  CHR12和CHR23是SWI/SNF家族中与DTF2互作的两个ATP水解酶,其转录组分析结果显示它们影响超过6000个基因的表达。有意思的是在dtf2突变体中,超过70%的差异表达基因(DEGs)也受CHR12、CHR23的调节,尤其是下调的差异表达基因(DEGs)。转录组的分析结果暗示DTF2可能与CHR12、CHR23参与基因转录调控。  DTF2的体内互作因子CHR12、CHR23染色质重塑因子在发育上存在功能冗余。发现dtf2突变体也呈现一些与chr12-3chr23-1类似的发育表型,比如叶片都呈扁平状,甚至于向里凹陷。DTF2影响一部分独立于RdDM位点的DNA甲基化,发现其互作因子CHR12和CHR23也影响一部分独立于RdDM位点的DNA甲基化,这些位点主要分布在基因区域并且其CG类型的DNA甲基化受到影响,有意思的是这些位点的DNA甲基化也受MET1的调控。这些结果暗示DTF2可能与CHR12、CHR23参与DNA甲基化和叶片发育。  DTF1SAWADEE结构域对其对其功能至关重要,为了研究其HOMEO结构域对其功能是否必需进行了DTF1HOMEO结构域删除实验。发现DTF1的HOMEO结构域对DTF1的功能不是必需的。为了研究DTF1和DTF2功能的区别对其进行了HOMEO结构域和SAWADEE结构域替换实验,发现DTF1和DTF2的HOMEO结构域可以相互替换并行使类似功能而它们的SAWADEE结构域则不能替换,这暗示DTF1和DTF2体内功能的差异可能源于其SAWADEE结构域的不同。DTF2SAWADEE结构域晶体结构解析和等温滴定量热法(ITC)显示DTF2SAWADEE结构域偏好结合H3K9me1,而DTF1SAWADEE结构域则没有这一偏好性。这些结果暗示DTF1和DTF2SAWADEE结构域对于H3K9甲基化基团差异的结合偏好性可能是造成两个蛋白体内功能差异的原因。  总之,我们的研究初步解析出尽管DTF1和DTF2同源,但是两者在体内存在截然不同的作用。DTF2与SWI/SNF染色质重塑复合体互作并参与调控DNA甲基化、基因转录和叶片发育。
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