植物组蛋白3变体H3.3在转录记忆中的作用及其分子机制

为维持生物体个体正常发育和对环境的有效应答，细胞内一些基因的转录或沉默能在细胞分裂前后被"记住"，这可以是通过有丝分裂的短期记忆，也可是通过减数分裂的跨代长期记忆。这种表观遗传记忆是细胞编程和重编程的核心问题之一，然而，对此现象的主要决定因素及其分子机制仍然知之甚少。最近的一些研究提示生物体内非常保守的组蛋白3变体H3.3可能在这一过程中起到关键的作用。我们发现植物常规的组蛋白H3（H3.1）主要分布在异染色质区，而其变体H3.3主要分布在常染色质区，并且能结合在细胞分裂各个时期的染色质上，从母细胞传到子细胞中去，具备表观遗传信号传递的细胞学基础。本项目以拟南芥为材料，用长时间四维活细胞成像技术结合遗传学、生物化学和分子生物学等交叉手段研究组蛋白3变体H3.3及与之偶联的共价修饰在活跃基因的表观遗传记忆中的信号传导作用及其分子机制。

本项目发表SCI论文四篇，按计划完成。在含植物组蛋白变体H3.3核小体组装和去组装的分子机制研究方面取得了重要成果：组蛋白变体嵌入核小体形成了结构和功能各异的核小体，在生物体表观遗传过程中起非常重要的作用。组蛋白H3家族包括H3.1、H3.3和着丝粒特异的CenH3，它们在从果蝇到人类和植物中都非常保守。H3.3主要通过与一些分子伴侣如HIRA、DAXX、ATRX以及DEK等作用从而代替H3.1与转录活化的染色质结合，在生殖细胞的发育、表观遗传记忆和染色质重塑等方面发挥重要的作用。拟南芥组蛋白H3.3与H3.1只有四个氨基酸的不同，分别是N-端的31和41位以及组蛋白核心区的87和90位。本项目通过对拟南芥组蛋白H3.3和H3.1及它们的突变蛋白在核仁rDNA上精细的细胞生物学动态分析，提出和证实了这样一个模型：即处于组蛋白H3.3核心区域的87位和90位氨基酸介导了核小体的组装，而位于N端的31位和41位氨基酸则介导了核小体的去组装。这一结果提出了组蛋白N-端氨基酸在组蛋白密码作用过程中的一种全新模式。由于组蛋白变体H3.3及其相关的核小体在不同生物体中的高度保守性，因此该结果具有较广泛的生物学意义。本项目培养博士后出站一名，在站二人。另还有二名硕博连读研究生获得三好学生和国家奖学金。