染色质的三维结构对于真核生物基因组稳定性与基因表达调控有着至关重要的作用。其中，结构蛋白是染色质高级结构形成和维持的必要因子。CCCTC-结合因子（CTCF）是一种高度保守的含锌指转录因子，是研究最广泛的三维染色质结构调控因子；黏连蛋白（Cohesin）通过DNA环挤压参与染色质高级结构的形成，二者在全基因组拓扑相关结构域（Topologically associating domains，TAD）和TAD内部染色质环的形成中不可或缺。果蝇中存在多种结构蛋白，与组蛋白修饰共同调节区室结构域（Compartment domain，CD）的稳定性。然而，植物染色质三维结构与动物有所不同。在植物中，组蛋白修饰与多梳蛋白复合物（Polycomb complex）同样参与三维基因组的调控，但并不存在CTCF的同源蛋白，目前也尚未出现关于植物中染色质高级结构的调控蛋白的研究。
2024年11月19日，蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、北京大学现代农学院、北京大学-清华大学生命科学联合中心周岳课题组在Molecular Cell上在线发表了题为“EMF1 functions as a 3D chromatin modulator in Arabidopsis”的研究论文，揭示了植物特异的PcG家族蛋白EMF1（EMBRYONIC FLOWER1）结合在CD边界，并与cohesin共同维持拟南芥染色质三维结构的稳定性。
周岳课题组通过遗传学和多组学方法综合分析了EMF1蛋白在全基因组的结合特性及emf1突变体的三维结构变化。研究结果显示，EMF1结合于CD边界并维持了拟南芥染色质三维结构的稳定性。在emf1突变体中，H3K4me3、H3K27me3和H3K9me2CD边界强度均有明显下降。随后，本研究综合分析了组蛋白修饰、EMF1结合位点以及emf1突变体中的结构变化，证明EMF1作为边界蛋白既可以独立于上述三种修饰调控染色质三维结构，也可以和H3K27me3或H3K9me2协同作用于三维基因组的稳定性。在染色质环层面，EMF1维持CD内部染色质环的相互作用强度并间接阻隔了异常长距离相互作用的形成。
此外，本研究发现拟南芥cohesin复合体SCC3亚基和EMF1存在直接相互作用。借助基因组学实验，本研究证明了拟南芥中cohesin复合体结合在CD边界并与EMF1在全基因组范围内共定位。结合信号峰的富集情况和基序富集分析发现，EMF1和SCC3的结合位点中均显著富集G-box基序，这暗示着EMF1可能被cohesin招募到特异位点并共同发挥作用。另外，通过RNAi技术，本研究发现当cohesin复合体无法正常发挥功能时，拟南芥CD边界强度也出现明显下降。这些结果均表明，EMF1与cohesin共同维持拟南芥染色质高级结构的稳定性。
图1 EMF1与cohesin共同调控拟南芥染色质三维结构的稳定性
北京大学现代农学院周岳研究员和现代农业研究院何航研究员为本文共同通讯作者。北京大学前沿交叉学科研究院博士生舒家悦、北京大学现代农业研究院已出站博士后孙林华（现为南京师范大学生命科学学院研究员）、北京大学前沿交叉学科研究院博士生王鼎岳、北京大学现代农学院已出站博士后尹晓畅（现为海南大学南繁学院副研究员）和博士生杨敏琪为本文共同第一作者。该研究得到科技创新2030-重大项目、国家自然科学基金、中国科学院青年交叉团队、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、北京大学现代农学院、北京大学-清华大学生命科学联合中心的资助。
周岳课题组常年招收博士研究生，欢迎对植物表观研究领域感兴趣的同学报名CLS和PTN项目，或者北京大学现代农学院！
编辑 | 杜轩昊
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