Adv Sci | 华中农业大学周少立、周道绣课题组联合揭示组蛋白乙酰化酶复合物相分离调控水稻生殖顶端和营养顶端发育的机制

近日，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室周少立课题组和周道绣课题组在‌Advanced Science‌上联合发表了题为ADA2 Forms Nuclear Condensates with GCN5 and ATP-Citrate Lyase (ACL) to Modulate H3K9 Acetylation at Genes functioning in Rice Meristems的研究论文。该研究揭示了一种全新的可能在高等植物中保守的组蛋白乙酰化酶复合物新作用机制。具体而言，该文鉴定到了一类全新的水稻GCN5-ADA2-ACLA2（GAA）复合物，数据显示该复合物通过ADA2的相分离介导了复合物在核内的凝集，同时通过柠檬酸裂解酶ACL在微环境中富集了乙酰辅酶A，进而促进了基因组特定位点的组蛋白H3K9乙酰化修饰，保障了花序分生和根分生组织关键基因的转录。该研究揭示了一种潜在且保守的组蛋白乙酰化酶复合物作用机制，洞悉了亚细胞器微环境和代谢酶在调控染色质状态中的新作用机制，为进一步解析顶端分生组织的发育机制提供了新的见解。

组蛋白乙酰化是促进染色质开放的活性标记之一，该过程受到组蛋白（去）乙酰化酶（HATs/HDACs）及代谢物乙酰辅酶A的动态调控【1】。SAGA （Spt-Ada-Gcn5 acetyltransferase）复合物是真核生物中最早发现的组蛋白乙酰转移酶复合体，其催化核心组蛋白乙酰转移酶GCN5负责“书写”乙酰化修饰，而衔接蛋白ADA2则为其他功能蛋白的招募提供支架并增强GCN5的酶活性【2-4】。已有研究发现，在逆境或低乙酰辅酶A水平下，ADA2赖氨酸乙酰化动态调节GCN5 HAT活性，从而赋予水稻更强的逆境耐受性【5】。然而，SAGA复合物能否调节细胞微环境中局部乙酰辅酶A浓度进而参与植物形态建成，目前尚不清楚。此外，尽管相分离已被证实在植物发育与环境适应性中发挥重要作用，但其是否参与细胞核中的组蛋白乙酰化调控仍有待系统解析。

研究团队首先发现水稻体内的SAGA（GCN5-ADA2）复合物能够与柠檬酸裂解酶ACLA2（产生乙酰辅酶A的关键代谢酶）形成三元（GAA）复合物；进一步考察GCN5 RNAi ，ada2以及acla2材料营养生长和生殖生长期的表型，发现三者共同调控水稻花序分生组织发育及根尖分生区的细胞分裂进程。为了探究GAA复合物的具体作用机制，研究人员分析了ADA2蛋白的序列特征及表达情况。结果显示，ADA2蛋白在其N端及功能结构域之间存在两个固有无序区（IDR1和IDR2），并且该蛋白在细胞核内能够发生液-液相分离，形成生物分子凝聚体。进一步研究表明， IDR2区域富含大量带正电荷的氨基酸残基（KRH），是驱动ADA2发生相分离的关键因素。此外，研究还发现当GCN5、ADA2与ACLA2蛋白共表达时，ADA2能够诱导GCN5和ACLA2共同形成凝集体。值得注意的是，ACL全酶（由ACLA2和ACLB组成）在该复合物形成的微环境中能显著代谢产生并富集乙酰辅酶A浓度，为GCN5的组蛋白酶活提供底物。

图1. ADA2能够诱导GCN5和ACLA2共同形成凝集体

由于ADA2/GCN5/ACLA2的突变或下调表达会导致水稻花序分生组织及根发育缺陷，为了探究其是否参与下游基因的转录调控，研究人员获取并分析了GCN5 RNAi ，ada2以及acla2材料根尖样品的转录组、H3K9ac 修饰组以及ADA2、GCN5和ACLA2的全基因组结合数据。数据显示ADA2、GCN5和ACLA2共同富集在相同基因组位点并调控其H3K9ac水平，进而影响植物激素转运、磷酸盐的吸收与运输等相关基因的表达。此外，当GAA复合物丧失液液相分离能力时，会导致组蛋白H3K9ac修饰水平显著下降。

综上所述，该研究揭示了GAA复合物以生物分子凝聚体的形式驱动细胞核中局部乙酰辅酶A的快速聚集，最终调控组蛋白H3K9ac并影响水稻根以及花序分生组织发育相关基因的表达。该结果进一步说明了基因组特定位点上的活性标记是如何通过表观修饰因子的液液相分离得以形成并维持的，同时也为进一步探索代谢产物及代谢酶如何参与表观修饰调控提供了新的思路。

图2. GAA复合物参与水稻根和花序分生组织发育的模型

华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北省洪山实验室博士后岳亚萍和博士研究生陆婷婷、郭啸远为文章共同第一作者，周少立教授和周道绣教授为共同通讯作者，埃及国家研究中心Heba Abdalla研究员、华中农业大学赖雪雷、张瑞辉、郭建平和赵毓教授为本研究提供了指导和帮助。博士研究生刘彪和吕世腾也参与了该研究工作。该研究得到国家自然科学基金项目（面上、青年）、国家重点研发计划、中央高校自主创新项目、湖北省创新群体项目、湖北洪山实验室启动基金等的资助。

相关参考文献：

https://doi.org/10.1002/advs.202513169