2018年11月13日，清华大学医学院李海涛课题组携手生科院孙前文课题组、李丕龙课题组在Cell Research杂志在线发表题为“Plant HP1 protein ADCP1 links multivalent H3K9 methylation readout to heterochromatin formation”（植物HP1蛋白ADCP1关联多价态组蛋白H3K9甲基化识别并介导异染色质形成）的合作研究成果，发现一类植物特有的新型组蛋白甲基化阅读器ADCP1，并确定其为动物HP1（Heterochromatin Protein 1，异染色质蛋白1）功能同源蛋白，揭示出其在植物异染色质维持和转座子元件沉默中的作用，彰显了不同生命界中表观机制的复杂性和保守性。
HP1是一类从裂殖酵母到人都保守存在的异染色质蛋白，它含有一个识别组蛋白H3K9甲基化修饰的chromo结构域和一个能自身二聚并介导与其他蛋白互作的chromoshadow结构域，在组成型异染色质形成和维持过程中发挥着重要作用。令人吃惊的是，如此重要的表观因子在植物中却未见报导。拟南芥中，HP1序列同源蛋白LHP1主要识别组蛋白H3K27甲基化修饰，从功能上发挥了类似于动物中多聚梳（Pc）家族成员（主要调控兼性异染色质形成）的作用。那么植物中是否真正存在与动物HP1功能类似，通过识别组蛋白H3K9甲基化来调控异染色质功能的蛋白呢？围绕这一科学问题，李海涛课题组及合作者曾相继开发了基于表面等离子体激元共振成像（SPRi）的微阵列筛选平台 (Zhao et al., PNAS 2017) ，并对拟南芥中潜在的阅读器结构域进行了系统表征 (Zhao et al., Cell Rep 2018) 。在最新的工作中，研究人员基于SPRi平台筛选出一类识别H3K9甲基化并且为植物所特有的串联Agenet结构域蛋白：ADCP1 (Agenet Domain-Containing Protein 1)，发现ADCP1虽然与动物HP1不存在序列同源性，但其对于组蛋白的识别性质、结构基础、异染色质功能调控和相分离行为等都与动物HP1有着高度相似性，呈现出一种功能同源的趋同进化分子设计。
ADCP1本身是一个三重串联Agenet结构域蛋白，在植物中高度保守并且广谱表达。基于SPRi筛选并结合等温量热滴定（ITC）实验，研究人员确定了ADCP1的三个串联Agenet结构域都是位点特异性的H3K9me2（组蛋白H3赖氨酸9二甲基化）修饰阅读器并且可以被临近的H3S10ph（组蛋白H3丝氨酸10磷酸化）修饰破坏结合。通过修饰多肽复合物晶体结构解析，研究人员阐明了ADCP1识别组蛋白H3K9me2的分子基础，并开展了突变体实验完成了验证。在解析的复合物晶体结构中，ADCP1串联Agenet结构域呈现出一种独特的整体折叠和多肽识别模式（图1）。其中每个串联Agenet结构域中的两个Agenet单体以“头碰头”方式拥簇堆积，并借由一段氨基端α螺旋、一对羧基端β折叠片和一段链接两个Agenet单体的脯氨酸loop所构成的疏水簇底座而稳定。组蛋白H3（1-10）多肽结合在远离疏水簇底座的酸性表面，其中H3K9me2插入到第二个Agenet结构域的“芳香笼”（aromatic cage）被识别，而非修饰的H3K4插入到第一个Agenet结构域的酸性口袋被识别，同时H3多肽的4-7区段被诱导形成一小段α螺旋在两个Agenet结构域接触面处参与识别。ADCP1对H3K9me2的识别依赖于组蛋白H3K4及更近氨基末端的序列，而H3K9和H3K27临近且保守的“ARKS”基序未参与关键识别，因此ADCP1对于H3K27位点完全没有结合力，进而解释了ADCP1对H3K9me位点识别的特异性。
图1，ADCP1串联Agenet结构域呈现出一种独特的整体折叠和多肽识别模式
在接下来的工作中，研究人员用免疫荧光染色和ChIP-seq实验在植物体内证实了ADCP1与异染色质H3K9me2共定位（图2）。ADCP1富集在着丝粒旁区异染色质及常染色体臂的异染色质补丁区等，偏好富集于较长的转座子（>4kb），尤其是Gypsy LTR逆转座子等。随后，通过观察adcp1突变体以及瞬时超表达ADCP1到原生质体的细胞核染色中心（chromocenter）凝聚状态，研究人员发现ADCP1对异染色质染色中心的形成至关重要，它的缺失或者过量表达都会造成染色中心的解聚或弥散，且该过程依赖于对H3K9me2的识别。进一步的研究发现adcp1突变体中H3K9me2以及CHG/CHH甲基化水平显著下降，并且激活了一些转座子的表达。综上所述，研究人员在拟南芥中的功能研究表明ADCP1是一类重要的植物HP1家族成员，对于异染色质形成、H3K9me2和CHG/CHH甲基化维持，以及转座子沉默是必不可少的。
图2，ADCP1与异染色质H3K9me2共定位
ADCP1内在的多价态H3K9甲基化识别能力及其在异染色质调控功能方面与动物HP1的相似性暗示其可能同样具备介导异染色质相分离能力。相分离现象是生物体内观察到的一类重要的生物物理现象，在诸多重要的生物学事件中发挥着重要调控功能，是当前生命科学领域的一个重要理论突破。多价态识别是相分离发生的重要物理化学基础，由于带有修饰的核小体念珠串是天然的多价态分子，而组蛋白修饰阅读器也可以以高价态的状态存在，因此染色质很可能在体内发生相分离的现象。近期在果蝇细胞和哺乳细胞中都有观测到异染色质发生相分离的现象，而HP1这一蛋白在该过程中发挥了重要的支架成核作用 (Larson et al., Nature, 2017; Strom et al., Nature, 2017)。在本工作中，研究人员发现ADCP1具有内在自分相能力，并且通过构建具有H3K9甲基化修饰的多聚核小体串，证实了ADCP1以H3K9甲基化依赖的方式介导多聚核小体串相分离的能力（图3）。进一步，研究人员还证明这种H3K9甲基化依赖的相分离发生可以被H3S10ph修饰破坏，提示了一种异染色质分相的“二元开关”负调控机制。
图3，ADCP1介导H3K9甲基化多聚核小体串相分离
总体而言，虽然序列不同源，植物ADCP1表现出诸多与动物HP1的功能同源之处：1）同属于“皇室家族”结构域成员；2）特异识别H3K9me修饰而不识别H3K27me3修饰；3）H3S10ph都会破坏与H3K9me的结合；4）都通过“芳香笼”实现对赖氨酸甲基化的识别；5）均具备多价态识别依赖的异染色质分相能力；6）均可靶向组成型异染色质并介导转座子沉默。因此，本研究认为ADCP1发挥了多年来一直未被发现的植物HP1的功能，对植物异染色质形成和维持发挥着重要调控作用。考虑到ADCP1及其同源蛋白在植物中的高度保守性，本工作为ADCP1及其同源蛋白在其他植物，尤其是转座子元件比例更高的水稻、玉米等战略经济作物的基础与应用研究提供新的切入点和方向。
清华大学医学院李海涛教授与生科院孙前文研究员、李丕龙研究员为本文的共同通讯作者。清华大学赵帅博士及博士生程玲玲、郜一飞、张柏超为本文共同第一作者。李海涛课题负责完成了ADCP1的鉴定与分子机制解析工作，孙前文课题组负责完成了植物功能实验，李丕龙课题组主导完成了相分离实验。清华大学医学院博士后郑向东及博士生王亮在相分离实验部分做出重要贡献。本课题得到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委、清华-北京生命联合中心、北京市结构生物学高精尖创新中心和清华大学自主科研基金的经费支持。数据收集与仪器设备得到上海同步辐射光源与“凤凰工程”北京蛋白质基础设施的大力支持与协助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41422-018-0104-9
