南湖新闻网讯 (通讯员 张昕冉)基因的转录调控是细胞内最为关键的生物学过程，真核生物通过DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑以及染色质的三维结构来控制基因表达的开启或关闭。多梳蛋白复合体PRC2介导的组蛋白H3第27位赖氨酸三甲基化（H3K27me3）是一类维持基因和基因组沉默的关键组蛋白修饰，在动植物发育及环境应答中发挥重要调控作用。在水稻中，约8%的基因同时具有H3K27me3和H3K4me3二价修饰，使调控基因处于“蓄势待发”状态，以便快速响应外界信号。已有研究表明，水稻DNA腺嘌呤（6mA）去甲基化酶ALKBH1 不仅可以去除单链 DNA上的 6mA，还能通过抑制PRC2结合、提升H3K4me3/H3K27me3比例，激活双价基因并增强胁迫应答(Jia et al., 2023; Zhou et al., 2018)。

Microrchidia（MORC）家族染色质重塑蛋白是一类保守且广泛存在于真核生物中的GHKL型ATP酶。之前在拟南芥的研究中发现MORC蛋白通过介导染色质压缩，在RNA介导的DNA甲基化位点增强沉默效应，并且可能参与调节拟南芥的染色质边界。MORC是否通过其他方式调控染色质状态还有待进一步研究。

8月15日，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室水稻团队周道绣教授课题组在Nature Plants上在线发表了题为“Microrchidia ATPases and DNA 6mA demethylase ALKBH1 act antagonistically on PRC2 to control chromatin structure and stress tolerance”的研究论文。该研究发现MORC优先将PRC2稳定在二价结构域，以维持高水平的H3K27me3，并形成染色质环，用于基因抑制和应激耐受，并且会被DNA 6mA去甲基化酶ALKBH1抵消。这一发现不仅深化了对植物表观遗传网络的理解，也为真核染色质动态调节提供了新视角。

该研究首先鉴定出MORC蛋白是PRC2的互作因子，利用多种技术手段证实了PRC2的多个核心组分与MORC家族蛋白（MORC1、MORC6a和MORC6b）发生相互作用。整合遗传学、转录组测序和染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）等分析发现MORC通过招募PRC2至双价修饰的靶基因上促进 H3K27me3 富集，抑制胁迫应答基因的表达。MORC 不仅调控局部修饰，还可以“牵一发而动全局”，影响染色质空间结构。为进一步探索 MORC 在 H3K27me3 相关三维染色质结构中的功能，作者对野生型与 morc 突变体分别进行了 H3K27me3 和 MORC6b 的 Hi-ChIP 测序（一种结合高通量染色质构象捕获与染色质免疫沉淀的方法），绘制全基因组染色质互作图谱。结果显示，结果显示，MORC功能缺失显著削弱了H3K27me3相关染色质三维交互，主要表现为TAD（染色质拓扑结构域）内互作减弱，伴随TAD间异位增强。MORC在交互锚定区高度富集，促进H3K27me3空间构象的形成，进而参与基因组稳定性维持与逆境应答基因的沉默调控。

有趣的是，作者发现，MORC调控的下游靶基因与DNA腺嘌呤去甲基化酶ALKBH1调控的下游基因表现出高度重合，但二者在对下游基因表达调控模式上表现出功能相反。为证实二者的调控关系，研究者又利用MORC6b和ALKBH1的自身抗体分别对各自功能缺失遗传材料进行染色质免疫共沉淀高通量测序，结果最终证实了二者在染色质层面存在互相竞争的调控模式。研究者通过对相关遗传材料进行遗传和生理实验，相关结果进一步证实了MORC 和 ALKBH1在不同生物学过程的拮抗调控功能，尤其是在逆境应答调节过程（盐胁迫应答和白叶枯病原菌感染应答）。

综上所述，该研究解析了不同染色质修饰因子与染色质重塑因子通过协同/拮抗调控染色质修饰和染色质结构，进而实现基因表达调控的机制。该研究总结出植物通过染色质修饰和结构调节以实现对胁迫响应的精准应答模型，为理解植物在复杂环境中维持生理稳态调节提供了新思路，也为作物抗逆性遗传改良奠定重要理论基础。值得一提的是，周道绣教授课题组前期关于水稻PRC2功能和H3K27me3相关的调控机制进行了长期的系统性研究(Jia and Zhang et al., Genome Biology. 2023; Li et al., EMBO Journal. 2023 ; Tan and Wang et al.,The Plant Cell. 2022；Wang et al., The Plant Cell. 2021; Cheng et al, Nucleic Acids Research.2018; Liu and Zhou et al., The Plant Cell. 2015; Li et al., The Plant Cell. 2013)，相关研究结果为理解植物尤其是作物的环境适应性与生长发育相关的精准转录调控过程奠定了重要理论基础。

华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北省洪山实验室已毕业的张昕冉博士（现为新加坡国立大学博士后）、贾庆霄博士（现为福建农林大学海峡联合研究院副教授）和王文韬博士（现为中国科学院昆明植物研究所副研究员）为本研究的共同第一作者。周道绣教授为通讯作者。袁猛教授和赵毓教授为本研究提供了重要指导，常煜博士、刘潜博士、田晶晶博士以及博士研究生褚晨也参与了相关工作。本研究得到国家自然科学基金项目、中央高校基本科研业务费项目等资助。

1. Jia, Q., Zhang, X., Liu, Q., Li, J., Wang, W., Ma, X., Zhu, B., Li, S., Gong, S., Tian, J., Yuan, M., Zhao, Y., & Zhou, D. X. (2023). A DNA adenine demethylase impairs PRC2-mediated repression of genes marked by a specific chromatin signature. Genome Biol. 24(1), 198. https://doi.org/10.1186/s13059-023-03042-4

2. Zhou, C., Wang, C., Liu, H., Zhou, Q., Liu, Q., Guo, Y., Peng, T., Song, J., Zhang, J., Chen, L., Zhao, Y., Zeng, Z., & Zhou, D. X. (2018). Identification and analysis of adenine N(6)-methylation sites in the rice genome. Nat Plants. 4(8), 554-563. https://doi.org/10.1038/s41477-018-0214-x

3. Li, J., Li, Q., Wang, W., Zhang, X., Chu, C., Tang, X., Zhu, B., Xiong, L., Zhao, Y., & Zhou, D. X. (2023). DELLA-mediated gene repression is maintained by chromatin modification in rice. EMBO J. 42(21), e114220. https://doi.org/10.15252/embj.2023114220

4. Tan, F. Q., Wang, W., Li, J., Lu, Y., Zhu, B., Hu, F., Li, Q., Zhao, Y., & Zhou, D. X. (2022). A coiled-coil protein associates Polycomb Repressive Complex 2 with KNOX/BELL transcription factors to maintain silencing of cell differentiation-promoting genes in the shoot apex. Plant Cell. 34(8), 2969-2988. https://doi.org/10.1093/plcell/koac133

5. Wang W, Lu Y, Li J, Zhang X, Hu F, Zhao Y, Zhou DX. SnRK1 stimulates the histone H3K27me3 demethylase JMJ705 to regulate a transcriptional switch to control energy homeostasis. Plant Cell. 2021 Dec 3;33(12):3721-3742. doi: 10.1093/plcell/koab224.

6. Cheng S, Tan F, Lu Y, Liu X, Li T, Yuan W, Zhao Y, Zhou DX. WOX11 recruits a histone H3K27me3 demethylase to promote gene expression during shoot development in rice. Nucleic Acids Res. 2018 Mar 16;46(5):2356-2369. doi: 10.1093/nar/gky017.

7. Liu X, Zhou S, Wang W, Ye Y, Zhao Y, Xu Q, Zhou C, Tan F, Cheng S, Zhou DX. Regulation of histone methylation and reprogramming of gene expression in the rice inflorescence meristem. Plant Cell. 2015 May;27(5):1428-44. doi: 10.1105/tpc.15.00201. Epub 2015 May 8.

8. Li T, Chen X, Zhong X, Zhao Y, Liu X, Zhou S, Cheng S, Zhou DX. Jumonji C domain protein JMJ705-mediated removal of histone H3 lysine 27 trimethylation is involved in defense-related gene activation in rice. Plant Cell. 2013 Nov;25(11):4725-36. doi: 10.1105/tpc.113.118802. Epub 2013 Nov 26.

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-025-02048-z

审核人：周道绣