題目：An H3K27me3 demethylase-HSFA2 regulatory loop orchestrates
transgenerational thermomemory in Arabidopsis
期刊：Cell Research
客戶單位：植物生理生態研究所和遺傳與發育生物學研究所
物種：擬南芥
應用：WB
ABclonal 合作技術：SGS3和SGIP1蛋白表達及抗體定制
一、研究背景
全球氣溫升高對植物生長，發育和繁殖產生了各種深遠影響，並對全球作物產量構成嚴重威脅。為了適應環境溫度的變化，植物進化出複雜的遺傳和表觀遺傳機制以響應高溫並隨之調整生長發育。何祖華課題組此前研究表明，延長高溫（30℃持續13天）將會導致擬南芥PTGS (Posttranscriptional Gene Silence, 轉錄後基因沉默)和tasiRNA的生物發生出現確定性的抑制甚至傳代抑制。並通過一個盒子的免疫受體NRG1的研究揭示了高溫通過降低一種對siRNA生物發生至關重要的植物特異性RNA結合蛋白SGS3 (SUPPRESSOR OF GENE SILENCING 3)含量來解除轉基因引起的PTGS，並表現出傳代記憶效應（PNAS,
2013）。然而，熱應激的記憶如何建立並傳遞給後代以及其他表型是否受到影響很大程度上仍然未知，有些高溫響應能通過減數分裂傳遞給下一代植株，即使後代沒有受到逆境影響，仍然具有記憶標記，但其中具體的機制尚不清楚。
中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所何祖華課題組與中國科學院遺傳與發育生物學研究所曹曉風課題組合作在國際權威學術期刊Cell Research上發表題為“An H3K27me3 demethylase-HSFA2 regulatory loop orchestrates
transgenerational thermomemory in Arabidopsis”研究論文，該研究發現熱誘導通過組蛋白去甲基化酶，轉錄因子和tasiRNA的協調表觀遺傳網絡，傳遞表型以確保繁殖成功和傳代應激適應，揭示了一個正向反饋循環途徑維持植物對高溫的傳代記憶的新機制。植生生態所何祖華研究組/王二濤研究組博士後劉軍鐘、何祖華研究組博士生馮麗麗、顧雪婷，遺傳與發育所曹曉風研究組副研究員鄧嫻為該論文的共同第一作者。
二、研究內容及結果
➤ 1、 tasiRNAs受抑制介導擬南芥早開花和免疫抑制的傳代記憶
課題組研究發現高溫促使擬南芥提早開花，抑制對丁香假單胞菌(Pseudomonas syringae) Pst DC3000 (avrRpt2)的抗病性與高溫解除PTGS一樣，也可以傳遞給下一代，即這些性狀具有傳代記憶效應。此外，實驗人員觀察到高溫介導SGS3蛋白的降低從而抑制ta-siRNAs的合成與擬南芥早開花和免疫抑制的傳代記憶呈正相關。
Fig. 1 Heat-induced
transgenerational degradation of SGS3 accelerates flowering but attenuates
immunity.
➤ 2、SGIP1靶向SGS3參與其降解
科研人員通過免疫共沉澱Co-IP，生物化學和遺傳學相結合的方法，鑑定出一個F-box泛素連接酶SGIP1 (SGS3-INTERACTING PROTEIN1) 結合併參與降解SGS3蛋白。同時觀察到高溫對SGIP1的上調表達同樣具有傳代記憶。
Fig. 2 SGIP1 mediates thermomemory degradation of SGS3
➤ 3、 HSFA2結合SGIP1啟動子上調其表達
隨著對傳代記憶機制的進一步深入研究，科研人員發現高溫能使熱激轉錄因子HSFA2 (HEAT SHOCK TRANSCRIPTION FACTOR A2) 激活，以基因敲除植株為材料，通過體外實驗，ChIP-qPCR方法發現激活的HSFA2直接與SGIP1啟動子上的熱激轉錄元件結合，使得SGIP1的表達激活，進而通過靶定並降解SGS3蛋白，導致ta-siRNAs的產生受到抑制。
Fig. 3 HSFA2 activates SGIP1 transgenerationally through binding to its promoter.
➤ 4、H3K27me3去甲基化調控HSFA2的傳代上調
體外研究實驗發現HSFA2直接結合H3K27me3去甲基化酶REF6 (RELATIVE OF EARLY FLOWERING 6)，高溫能夠誘導REF6表達上調，且具有傳代標記，REF6招募染色質重塑因子BRM (BRAHMA) ，同時高溫能夠促使HSFA2直接結合到BRM啟動子上的熱激轉錄元件從而激活BRM的表達。 REF6和BRM的上調表達能反過來降低HSFA2位點上的H3K27me3修飾水平，從而降低H3K27me3對HSFA2轉錄的抑製作用。 REF6和HSFA2形成了一個正向反饋循環途徑維持植物對高溫的傳代記憶。
Fig. 4 H3K27me3 demethylation controls transgenerational upregulation of HSFA2.
➤ 5、REF6-HSFA2循環與ta-siRNAs合成下降上調HTT5表達誘導傳代表型
進一步研究表明REF6-HSFA2反饋循環和ta-siRNAs合成下降的共同作用，上調了REF6/BRM/HSFA2和ta-siRNAs的共同靶標HTT5 (HEAT-INDUCED TAS1 TARGET 5)的表達，導致植物的早開花和感病性增加的表型。
Fig. 5 HTT5 coordinates thermomemory phenotypes via reduced tasiRNAs and the REF6-HSFA2 loop.
文章小結
該研究揭示了一個由組蛋白去甲基化酶、染色質重塑因子、轉錄因子、泛素連接酶和小分子RNAs共同組成的複雜的表觀調控網絡參與植物對高溫的傳代記憶，促使植物提前開花（早結種子）同時以降低抗病性為代價來保證植物能順利繁衍和適應高溫逆境。
解析文獻
An H3K27me3 demethylase-HSFA2 regulatory loop orchestrates transgenerational thermomemory in Arabidopsis
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