组蛋白共价修饰是真核生物基因表达调控的重要方式，其对基因的表达起到了抑制或促进的调控。在生命过程中，对基因的时空性调控对于生物发育的稳定性与时序性具有极其重要的意义。组蛋白修饰包括组蛋白的甲基化、乙酰化、泛素化、磷酸化、巴豆酰化等，在其中组蛋白甲基化与乙酰化是现在研究最多，也被证明参与了诸多生命活动的组蛋白修饰。在组蛋白甲基化与乙酰化的过程中，四种组蛋白修饰因子（Histone modifications， HMs）参与其中，包括组蛋白甲基转移酶 (histone methyltransferases，HMTs), 组蛋白去甲基化酶（histone demethylases ，HDMs), 组蛋白乙酰化酶（histone acetylates ，HATs), 和组蛋白去乙酰化酶 （histone deacetylases ，HDACs)，因为不同的HMs有这不同的结构域，根据其不同的结构特点又可以将其进一步划分。

HMs在植物生物发育的过程中发挥了重要的作用，在不同的植物中也鉴定到了诸多HMs。甜橙共鉴定出136 HMs（47 HMTs，23 HDMs，50 HAT，16 HDACs），在果实发育过程中发挥了重要作用。此外，还从番茄基因组中鉴定出125个HMS（32个HATS，15个HDAC，52个HMT和26个HDMS）。对于不同的物种，我们如何挖掘其不同的修饰酶以及特定生物学过程中的功能呢？2018年8月，BMC Plant Biology发表文章Identification and characterization of histone modification gene family reveal their critical responses to flower induction in apple鉴定探究苹果中组蛋白修饰酶，并且初步揭示了组蛋白修饰酶在成花过程中发挥的重要作用。

 

  

实验材料

  

 

1、苹果基因组信息

2、已发表开花诱导的RNA-seqs数据

3、不同开花习性的苹果材料

 

  

实验方法

  

 

1、苹果HMs基因家族的鉴定与染色体定位

2、进化树、基因结构、蛋白质保守性、同源基因的分析

3、开花诱导过程中HMs的表达分析。

 

  

实验结果

  

 

1、利用苹果基因组鉴定HMs基因家族

利用苹果基因组共鉴定出198个HMs，包括71个HMTs、44个HDMS、57个HATS和26个HDACs。根据其蛋白结构域的不同，将其分为11个亚家族。同时，根据GO注释分类，这些HMS基因分为三类，包括生物学过程、细胞成分和分子功能。为了进一步鉴定HMs的具体位置，作者将每个HMs进行了染色体的定位，其中15号染色体含有最多HMs。

 

2、苹果与拟南芥HMs基因的系统发育及同源性分析

为了了解苹果中HMs基因间的进化关系，作者用拟南芥和苹果HMs蛋白构建了4个系统发育树，包括HMTs、HDMs、HATs和HDACs基因。所有的拟南芥和苹果HMs基因都被分类并聚集成不同的区域。对于HMT，除了AtPRMT16，所有SDGs 和 PRMTs基因都聚集在一起。此外，HDMAs 和 JMJs也聚集在一起。对于HATS，三个HAFs 基因 (AtHAF1, AtHAF2, 和MdHAF01)被HAGs基因成员聚集。对于HDACs，也有三个亚家族（HDAS，HDTs和SRTS）聚集。

 

作者对HMs在苹果基因组做了共线性分析（下左图），其中从18条染色体中共鉴定出67对HMs，包括1对MdHAFs、MdSRTs和MdHAMs、2对MdPRMTs和MdHACs、3对MdHDTs、5对MdHDAs和HdMAs、10对MdJMJs、16对MdHAGs和20对MdSDGs。利用拟南芥基因组，作者将将苹果基因HMs与拟南芥HMs进行了共线性分析（下右图），其中在苹果和拟南芥基因组中发现72对MdHMs和AtHMS，包括2对HACs、SRTs和HDTs、1对HAFs和HAMs、3对HAGs和PRMTs、13对HDMAs、14对JmJs和31对SDGs。

 

3、苹果MdHMs的结构分析

因为不同的HMs有着不同的结构域，作者研究了11种HMS基因家族的结构，以分析苹果中每个HMs结构域的特点。这些已鉴定的结构与之前在柑橘和其他植物的HMs中发现的结构相似，表明它们是保守进化的。

 

4、苹果HMs与其他物种同源性分析

作者通过BLASTP对MdMHs基因进行了其他植物的同源性同源性分析。作者选取了10种候选植物包括拟南芥、玉米、茄果、水稻、柑橘、葡萄和毛白杨，以及蔷薇科植物桂花、桃李和高粱。根据其亲缘关系的特点，将基因分为三类：1）是在候选物种中有一对一的同源基因（下图蓝色）；2）在候选物种中具有同源基因，但不是一对一检测（下图灰色）；3）在候选物种中没有检测到同源基因（下图白色）。如下图所示，大部分MdHMs与10个候选物种都具有同源基因。

 

5、开花诱导过程中MdHMs表达模式分析

作者利用已发表的转录组数据，分析了在诱导成花过程中MdHMs的表达情况，作者对198个MdHMs中，除了MdHAGs29未被检测到，其余基因都有检测到。对于不同的基因，作者发现28个基因表达水平极低（FPKM<1）,6个基因高度表达（FPKM>100）,表明这六个基因在成花诱导过程中发挥了重要作用。同时利用发表文章中两个不同品种（开花习性不同）的转录组数据，发现不同的MdHMs在不同品种中也有着不同的表达模式。

  

 

作者选取了12个候选MdHM基因，对其在诱导成花过程中不同组织部位的表达进行qRT-PCR的分析，结果显示11个候选基因在叶和芽中高度表达，而MdSDG55在花中有较高的表达。同时作者对糖处理下不同开花习性的材料（ON为开花率较高、OFF为开花率较低）完全开花后不同时间的顶芽材料中候选基因的表达进行了分析，作者发现12个候选基因似乎都与糖介导的开花相关。

 

结论

总的来说这篇文章通过对苹果基因组的分析，鉴定了不同的MdHMs，并且对其在染色体上的位置、基因和蛋白的结构。系统发育以及与其他物种的同源关系进行了分析。同时利用已发表的RNA-seq数据以及实验中qRT-PCR的结果，揭示了不同的MdHMs在诱导开花中的潜在作用，为MdHMs的进一步分析和鉴定提供了分子基础。