Microrchidia（MORC）家族染色質(zhì)重塑蛋白是一類保守且廣泛存在于真核生物中的GHKL型ATP酶。之前在擬南芥的研究中發(fā)現(xiàn)MORC蛋白通過介導(dǎo)染色質(zhì)壓縮，在RNA介導(dǎo)的DNA甲基化位點(diǎn)增強(qiáng)沉默效應(yīng)，并且可能參與調(diào)節(jié)擬南芥的染色質(zhì)邊界。MORC是否通過其他方式調(diào)控染色質(zhì)狀態(tài)還有待進(jìn)一步研究。

　　

　　8月15日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室水稻團(tuán)隊(duì)周道繡教授課題組在Nature Plants上在線發(fā)表了題為“Microrchidia ATPases and DNA 6mA demethylase ALKBH1 act antagonistically on PRC2 to control chromatin structure and stress tolerance”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)MORC優(yōu)先將PRC2穩(wěn)定在二價(jià)結(jié)構(gòu)域，以維持高水平的H3K27me3，并形成染色質(zhì)環(huán)，用于基因抑制和應(yīng)激耐受，并且會被DNA 6mA去甲基化酶ALKBH1抵消。這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了對植物表觀遺傳網(wǎng)絡(luò)的理解，也為真核染色質(zhì)動態(tài)調(diào)節(jié)提供了新視角。

　　

　　該研究首先鑒定出MORC蛋白是PRC2的互作因子，利用多種技術(shù)手段證實(shí)了PRC2的多個(gè)核心組分與MORC家族蛋白（MORC1、MORC6a和MORC6b）發(fā)生相互作用。整合遺傳學(xué)、轉(zhuǎn)錄組測序和染色質(zhì)免疫共沉淀測序（ChIP-seq）等分析發(fā)現(xiàn)MORC通過招募PRC2至雙價(jià)修飾的靶基因上促進(jìn) H3K27me3 富集，抑制脅迫應(yīng)答基因的表達(dá)。MORC 不僅調(diào)控局部修飾，還可以“牽一發(fā)而動全局”，影響染色質(zhì)空間結(jié)構(gòu)。為進(jìn)一步探索 MORC 在 H3K27me3 相關(guān)三維染色質(zhì)結(jié)構(gòu)中的功能，作者對野生型與 morc 突變體分別進(jìn)行了 H3K27me3 和 MORC6b 的 Hi-ChIP 測序（一種結(jié)合高通量染色質(zhì)構(gòu)象捕獲與染色質(zhì)免疫沉淀的方法），繪制全基因組染色質(zhì)互作圖譜。結(jié)果顯示，結(jié)果顯示，MORC功能缺失顯著削弱了H3K27me3相關(guān)染色質(zhì)三維交互，主要表現(xiàn)為TAD（染色質(zhì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域）內(nèi)互作減弱，伴隨TAD間異位增強(qiáng)。MORC在交互錨定區(qū)高度富集，促進(jìn)H3K27me3空間構(gòu)象的形成，進(jìn)而參與基因組穩(wěn)定性維持與逆境應(yīng)答基因的沉默調(diào)控。

　　

　　有趣的是，作者發(fā)現(xiàn)，MORC調(diào)控的下游靶基因與DNA腺嘌呤去甲基化酶ALKBH1調(diào)控的下游基因表現(xiàn)出高度重合，但二者在對下游基因表達(dá)調(diào)控模式上表現(xiàn)出功能相反。為證實(shí)二者的調(diào)控關(guān)系，研究者又利用MORC6b和ALKBH1的自身抗體分別對各自功能缺失遺傳材料進(jìn)行染色質(zhì)免疫共沉淀高通量測序，結(jié)果最終證實(shí)了二者在染色質(zhì)層面存在互相競爭的調(diào)控模式。研究者通過對相關(guān)遺傳材料進(jìn)行遺傳和生理實(shí)驗(yàn)，相關(guān)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了MORC 和 ALKBH1在不同生物學(xué)過程的拮抗調(diào)控功能，尤其是在逆境應(yīng)答調(diào)節(jié)過程（鹽脅迫應(yīng)答和白葉枯病原菌感染應(yīng)答）。

　　

　　綜上所述，該研究解析了不同染色質(zhì)修飾因子與染色質(zhì)重塑因子通過協(xié)同/拮抗調(diào)控染色質(zhì)修飾和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制。該研究總結(jié)出植物通過染色質(zhì)修飾和結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)對脅迫響應(yīng)的精準(zhǔn)應(yīng)答模型，為理解植物在復(fù)雜環(huán)境中維持生理穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)提供了新思路，也為作物抗逆性遺傳改良奠定重要理論基礎(chǔ)。值得一提的是，周道繡教授課題組前期關(guān)于水稻PRC2功能和H3K27me3相關(guān)的調(diào)控機(jī)制進(jìn)行了長期的系統(tǒng)性研究(Jia and Zhang et al., Genome Biology. 2023; Li et al., EMBO Journal. 2023 ; Tan and Wang et al.,The Plant Cell. 2022；Wang et al., The Plant Cell. 2021; Cheng et al, Nucleic Acids Research.2018; Liu and Zhou et al., The Plant Cell. 2015; Li et al., The Plant Cell. 2013)，相關(guān)研究結(jié)果為理解植物尤其是作物的環(huán)境適應(yīng)性與生長發(fā)育相關(guān)的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)錄調(diào)控過程奠定了重要理論基礎(chǔ)。

　　

　　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖北省洪山實(shí)驗(yàn)室已畢業(yè)的張昕冉博士（現(xiàn)為新加坡國立大學(xué)博士后）、賈慶霄博士（現(xiàn)為福建農(nóng)林大學(xué)海峽聯(lián)合研究院副教授）和王文韜博士（現(xiàn)為中國科學(xué)院昆明植物研究所副研究員）為本研究的共同第一作者。周道繡教授為通訊作者。袁猛教授和趙毓教授為本研究提供了重要指導(dǎo)，常煜博士、劉潛博士、田晶晶博士以及博士研究生褚晨也參與了相關(guān)工作。本研究得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目等資助。

　　

　　1. Jia, Q., Zhang, X., Liu, Q., Li, J., Wang, W., Ma, X., Zhu, B., Li, S., Gong, S., Tian, J., Yuan, M., Zhao, Y., & Zhou, D. X. (2023). A DNA adenine demethylase impairs PRC2-mediated repression of genes marked by a specific chromatin signature. Genome Biol. 24(1), 198. https://doi.org/10.1186/s13059-023-03042-4

　　

　　2. Zhou, C., Wang, C., Liu, H., Zhou, Q., Liu, Q., Guo, Y., Peng, T., Song, J., Zhang, J., Chen, L., Zhao, Y., Zeng, Z., & Zhou, D. X. (2018). Identification and analysis of adenine N(6)-methylation sites in the rice genome. Nat Plants. 4(8), 554-563. https://doi.org/10.1038/s41477-018-0214-x

　　

　　3. Li, J., Li, Q., Wang, W., Zhang, X., Chu, C., Tang, X., Zhu, B., Xiong, L., Zhao, Y., & Zhou, D. X. (2023). DELLA-mediated gene repression is maintained by chromatin modification in rice. EMBO J. 42(21), e114220. https://doi.org/10.15252/embj.2023114220

　　

　　4. Tan, F. Q., Wang, W., Li, J., Lu, Y., Zhu, B., Hu, F., Li, Q., Zhao, Y., & Zhou, D. X. (2022). A coiled-coil protein associates Polycomb Repressive Complex 2 with KNOX/BELL transcription factors to maintain silencing of cell differentiation-promoting genes in the shoot apex. Plant Cell. 34(8), 2969-2988. https://doi.org/10.1093/plcell/koac133

　　

　　5. Wang W, Lu Y, Li J, Zhang X, Hu F, Zhao Y, Zhou DX. SnRK1 stimulates the histone H3K27me3 demethylase JMJ705 to regulate a transcriptional switch to control energy homeostasis. Plant Cell. 2021 Dec 3;33(12):3721-3742. doi: 10.1093/plcell/koab224.

　　

　　6. Cheng S, Tan F, Lu Y, Liu X, Li T, Yuan W, Zhao Y, Zhou DX. WOX11 recruits a histone H3K27me3 demethylase to promote gene expression during shoot development in rice. Nucleic Acids Res. 2018 Mar 16;46(5):2356-2369. doi: 10.1093/nar/gky017.

　　

　　7. Liu X, Zhou S, Wang W, Ye Y, Zhao Y, Xu Q, Zhou C, Tan F, Cheng S, Zhou DX. Regulation of histone methylation and reprogramming of gene expression in the rice inflorescence meristem. Plant Cell. 2015 May;27(5):1428-44. doi: 10.1105/tpc.15.00201. Epub 2015 May 8.

　　

　　8. Li T, Chen X, Zhong X, Zhao Y, Liu X, Zhou S, Cheng S, Zhou DX. Jumonji C domain protein JMJ705-mediated removal of histone H3 lysine 27 trimethylation is involved in defense-related gene activation in rice. Plant Cell. 2013 Nov;25(11):4725-36. doi: 10.1105/tpc.113.118802. Epub 2013 Nov 26.

　　

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