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文献解读

集思慧远客户发表《HY5与组蛋白去乙酰化酶HDA 15相互作用抑制下胚轴细胞在光形态发生中的伸长》

发布日期:2019-06-24 浏览次数:76

摘要:

光形态发生是一个重要的植物发育过程,涉及到光介导的转录体和组蛋白修饰的改变。下胚轴伸长转录因子5(Hy5)作用于光受体多个家族的下游,通过调节光反应蛋白的表达来促进光形态的形成。然而,Hy5介导的转录调控的分子机制尚不清楚。在这里,我们证明Hy5直接与RPD3/HDA1型组蛋白去乙酰化酶HDA15在体外和体内相互作用。表型分析表明,HDA15在红光和远红光条件下对拟南芥幼苗下胚轴细胞的伸长具有负调节作用。HDA15的酶活性对下胚轴伸长有抑制作用。此外,HDA 15和HY5相互依赖地抑制下胚轴细胞在光形态发生中的伸长。全基因组转录组分析显示HDA 15和 HY5共同抑制细胞壁组织和生长素信号相关基因的转录。此外,HDA 15在HY5抑制拟南芥幼苗下胚轴细胞伸长相关基因中的作用是必需的。此外,HY5还将HDA 15招募到目标基因的启动子中,并通过以光依赖的方式降低组蛋白H4乙酰化水平来抑制基因的表达。我们的研究揭示了一个关键的转录调控节点,其中HY5 49与HDA 15相互作用,参与抑制下胚轴细胞的伸长,促进光形态发生。

结果

1.HDA 15与HY5相互作用

通过体外和半体外下拉试验(图1A及1B)、双分子荧光互补(BiFC)和共免疫共沉淀(Co-IP)(图1C及1D),发现HDA15与HY5和HYH直接相互作用。


2.HDA 15是光形态发生中下胚轴伸长的负调节因子

观察到hda 15突变体hda 15-1在不同光照条件下表现出较长的下胚轴表型。相比之下,35S:HDA15--GFP转基因株系与野生型(Col-0)在红光和远红光条件下的比较表现出明显较短的下胚轴表型(图2A-D)。说明HDA15在下胚轴的光形态发生中具有负作用。为了检测HDA15与光感受器PHYA和PHYB的遗传关系,将35s:HDA15--GFP通过杂交导入 Phya-211和phyb-9突变体。

植物生长涉及细胞的延伸和增殖,作者进一步测定了红光条件下4日龄Col-0 和had15-1的细胞长度和细胞数。hdda 15-1下胚轴的平均细胞长度明显长于野生型。相比之下,hda 15-1细胞数与野生型细胞数无显著差异(图2E-G)这些数据显示HDA15主要调控拟南芥幼苗下胚轴细胞的伸长。

3.HDA15的酶活性对下胚轴伸长的抑制作用

先前的研究表明,RPD3/HDA1-type HDACs, HDA5, HDA6, HDA15和 HDA19具有组蛋白去乙酰化酶活性。我们进一步测定了HDA15酶活性所需的氨基酸残基。人HDAC1(HsHDAC 1)和HDAC8(HsHDAC 8)和拟南芥RPD 3/HDA 1型HDACs组蛋白进行去乙酰化酶(HD)结构域的序列比对,表明HDACs中的氨基酸残基,H 276,H 277,D 313,H 315和H 316是保守的。为了分析这些保守的氨基酸是否对于HDA15的催化活性来说是重要的,构建了含有氨基酸(H276A、H277A、D313A、H315A和H316A)突变的质粒,并在大肠杆菌(E.coli)中表达。作为对照,在不保守的氨基酸(H282A)上的突变也平行分析(图3A)。

4.HD15和HY5在光形态发生中抑制下胚轴伸长的相互作用

作者通过构建突变体和杂交,并对突变体和野生型在红光和远红光的表型进行测量(图4)。这些结果表明,HDA 15和HY5在光形态发生过程中可能相互依赖地调控下胚轴伸长。

5.红光条件下HDA15和HY5共调基因转录组分析

用mRNA-seq分析例hda15和hy5调节转录组的变化。采集2日龄在连续红光条件下COL-0、hda 15-1和hy5-215幼苗,进行分析。与野生型相比,hda 15和 hy5突变体分别有425和1134个基因上调,579和644个基因下调。此外,hda 15和HY5共调控了499个基因(图5A、5B)。HDA15和HY5共调控基因的GO分析,揭示HDA15和HY5共抑制基因是优先与对非生物刺激的反应相关的,例如对内源刺激、水解酶、生殖发育、细胞壁组织和对生长素刺激的反应的反应(图5C)。

6.HDA15和HY5共同抑制红光下细胞壁和生长素信号相关基因表达

RNA-seq数据显示,HDA15和HY5共抑制细胞壁组织中涉及的一些基因。RT-qPCR分析证实,在hda 15和hy5突变中,XTH10、XTH15、XTH17、EXP 2、BXL1、PME 16和PME 35的表达上调了(图6A),支持 HDA 15和HY5在下胚轴伸长中的负作用。这些基因的转录物在35S:HDA15-GFP中下调(图6B),确认HDA15对参与下胚轴细胞伸长的基因的抑制作用。进一步检测了细胞壁组织和生长素信号相关基因在在红光条件下生长35s:HY5-gfp和35S:HY5-GFP hda 15幼苗中的表达水平(图6C)。

7.HY5招募HDA15加入细胞壁组织和生长素信号相关基因的启动子中,呈光依赖性

为了确定这些细胞壁组织和生长素信号相关基因是体内Hy5的直接靶点,利用ProHY5:HY5-GFP转基因植株表达HY5-GFP由天然HY5启动子驱动染色质免疫沉淀(CHIP)检测。

8.HY5和HAD 15降低靶基因组蛋白H4乙酰化水平

SinhadHDA15 h具有组蛋白脱氢酶活性,并且是对下胚轴伸长的抑制所必需的。我们进一步研究组蛋白HDA 15和HY5共调控基因、XTH15,EXP 2,IAA 19,COL-0的H3和H4缩醛化水平。

总结

在本工作中,确定HY5与HDA15在体内和体外都有直接的相互作用。HY5招募HDA15,通过降低拟南芥幼苗组蛋白H4乙酰化水平,抑制细胞壁组织和生长素信号相关的133个基因。这些发现揭示了一个关键的转录调控节点,其中HY5与HDA 15相互作用,参与抑制下胚轴细胞在光形态发生中的伸长。