拟南芥参与胚胎到幼苗发育转型的新型VAL转录抑制复合体及其功能研究

The molecular mechanisms and gene regulation network during seed (embryo) to seedling development transition has already become a hot topic in plant development biology. Our previous study found that the transcriptional repressor VAL2 (HSL1) interacts with histone deacetylase 19 (HDA19) and participate in the repression seed maturation gene in Arabidopsis embryo-to-seedling transition. Current research shows that VAL- and AtBMI1-mediated H2Aub initiate the switch from embryonic to seedling growth in Arabidopsis. However，it is unclear that the transcription repressor VAL- interacts with other protein and regulates gene network. Our preliminary research results demonstrate that VAL- interacts with two revel proteins, VTRC1 and VTRC2 (VAL-transcription repressor complex, VTRC), in Yeast and promote embryo to seedling transition in Arabidopsis. Our proposal is for the further study on molecular mechanisms of these revel VAL-transcription repressor complexes in the promotion of embryo to seedling transition. The research methods such as molecular genetics, epigenomics and so on were used to uncover the repressor complex molecular mechanisms.

研究从种子（胚胎）至幼苗的发育转型的基因转录调控机理，揭示其基因调控网络是植物发育生物学中的重大课题。我们最近的研究发现，转录抑制子VAL2（HSL1）与组蛋白去乙酰化酶HDA19互作形成VAL2-HDA19转录抑制复合体参与幼苗中抑制种子成熟基因表达调控，促进由胚胎至幼苗的发育转型过程。国外实验室的研究表明，VAL蛋白和AtBMI1互作介导的组蛋白H2A泛素化(H2Aub)复合体抑制拟南芥种子萌发后种子成熟基因的表达。除了上述已知的2个转录抑制复合体外，是否还存在VAL与其他蛋白互作组成新的转录抑制复合体参与从胚胎至幼苗发育转型及幼苗建成过程？本项目以本课题组新鉴定的2个VAL-互作蛋白VTRC1和VTRC2为切入点，利用分子遗传学、表观组学等研究方法解析VAL-VTRC1和VAL-VTRC2转录抑制复合体及其功能。

VALs (VAL1和VAL2)是转录抑制因子，抑制种子成熟基因在苗种表达。VALs的功能缺失导致种子成熟基因的表达在种子发育结束后无法正常关闭，导致种子成熟基因在苗中异位表达，形成具有胚性特征的不正常苗。不过，人们对于VALs是如何抑制苗中的种子成熟程序的机制还不够清楚。.我们通过酵母双杂交筛到VAL1与PRC2复合体成员SWN存在蛋白相互作用，与染色质重塑蛋白BRM和PKL也存在相互作用。进一步用BiFC和CoIP也证明它们之间的互作。VAL1和SWN、BRM以及PKL的功能缺失会导致种子成熟基因在苗中大量异位表达，形成具有胚性特征的不正常苗。VAL1和SWN可以共同靶定到AGL15、ABI3、2S1、2S4、OLE1上。本研究还发现，BR信号途径与VAL1协同参与拟南芥从种子到幼苗发育转型中种子成熟基因表达的抑制过程。我们利用ChIP-seq技术发现VAL1可以靶定到种子成熟基因AGL15、ABI3、2S1、2S4、 OLE1上，不靶定到LEC1、LEC2、FUS3上。通过结合元件分析表明VAL1的结合元件是Sph/RY (CATGCA)，主要结合在基因的启动子附近，已有的研究表明VAL1通过招募PRC2复合体对靶基因进行H3K27me3修饰。我们通过更深入的分析发现VAL1靶基因中具有H3K27me3修饰的基因只有808个，而大部分基因没有或者有很低的H3K27me3修饰。有意思的是，我们分析发现VAL1靶基因中没有或者有很低的H3K27me3的基因是富集H3K4me3的，这是以前没有发现的。我们将VAL1靶基因分为type 1（富集H3K27me3）和type 2（富集H3K4me3）。种子成熟基因是type 1类基因。Type 2上也富集H3K36me3和组蛋白乙酰化修饰。已有研究表明H3K27me3是抑制型组蛋白修饰，而H3K4me3修饰是激活型组蛋白修饰。通过分析type 1和type 2基因在野生型苗中的表达水平，发现type 1是苗中低表达水平基因，而type 2是苗中高表达水平基因。VAL1和VAL2的功能缺失导致type 1和type 2基因的转录水平都上调。这些表明VAL1不仅抑制H3K27me3修饰的基因，也抑制H3K4me3修饰的基因。另外，VAL1不仅靶基到种子成熟基因上，也靶定到植物激素、光信号以及糖响应基因上。