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Nature Plants |中山大学李陈龙课题组发现植物SWI/SNF染色体重塑复合物的新亚基

中山大学研究人员在Nature Plants(IF13.256)在线发表了题为“BRAHMA-interacting proteins BRIP1 and BRIP2 are core subunits of Arabidopsis SWI/SNF complexes”的研究论文,发现了植物SWI/SNF复合体的两个新亚基并阐述了其在SWI/SNF复合物中所起的作用。

文章来源


背景

开关缺陷/蔗糖不可发酵(SWI/SNF)染色质重塑复合物是多蛋白机器,可通过调节真核生物的染色质结构来控制基因表达。但是,尚不清楚植物中SWI/SNF复合物的完整亚基组成。在这里,我们报道在拟南芥中,两个同源的神经胶质瘤抑癌候选区域域蛋白,称为BRAHMA相互作用蛋白1(BRIP1)和BRIP2,是植物SWI/SNF复合体的核心亚基。 BRIP1 BRIP2双重突变体表现出发育表型和转录组与BRAHMA(BRM)突变体非常相似。遗传相互作用测试表明,BRIP1和BRIP2与BRM共同调节基因表达。此外,BRIP1和BRIP2与含BRM的SWI/SNF复合物发生物理相互作用,并与BRM在染色质上广泛共定位。 BRIP1和BRIP2的同时突变会导致几乎所有BRM目标基因座的BRM占有率降低,并且SWI/SNF组件的丰度大大降低。总之,我们的工作确定了植物中含有BRM的SWI/SNF复合物的新核心亚基,并揭示了这些亚基在维持植物中SWI/SNF复合物丰度中的重要作用。

 

结果

BRIP1和BRIP2与包含BRM的SWI / SNF交互植物中的复合物

在酵母双杂交分析中,我们发现BRIP1和BRIP2均与BRM相互作用。此外,双分子荧光互补分析,其中BRIP1或BRIP2与N端YFP融合,而BRM与C端YFP融合,表明BRIP1和BRIP2与BRM在核中相互作用,使用无关的核定位蛋白32时未观察到信号。

BRIP1和BRIP2均未与SWI3A和SWI3D交互。BiFC分析证实BRIP1与SWI3C相互作用,而BRIP2与SWI3B和SWI3C在细胞核中相互作用。BRIP1和BRIP2都与SWP73A和SWP73B相互作用。值得注意的是,BRIP1和BRIP2也可以彼此交互或自身交互。这些数据加在一起表明BRIP1和BRIP2是含BRM的SWI/SNF复合体的一部分。

图1:BRIP1和BRIP2与包含BRM的SWI / SNF复合物相互作用

图1:BRIP1和BRIP2与包含BRM的SWI / SNF复合物相互作用

 

BRIP1 BRIP2双重突变体表现出类似于BRM的表型

对BRIP1和BRIP2氨基酸序列的分析表明,这两种蛋白具有高度同源性。由BRIP1或BRIP2的启动子驱动的β-葡糖醛酸糖苷酶(GUS)报告基因表明,这两个基因具有相似的时空表达模式。这些观察结果表明,BRIP1和BRIP2可能具有冗余功能。

BRIP1 BRIP2和弱BRM-3等位基因的三重突变体的叶片向下卷曲比任一亲本都严重因此,BRIP1 BRIP2增强了BRM-3突变体的叶片弯曲表型。相反,BRIP1 BRIP2和无效的BRM-1等位基因的三重突变体显示出与BRM-1相同的叶片卷曲,开花时间和长角果表型。因此,BRIP1 BRIP2不会增强无效BRM-1突变体的表型。这些综合数据表明,BRIP1和BRIP2对于植物发育必不可少,并支持BRIP1/2和BRM位于同一复合物中以调节植物发育的观点。

图2:brip1 brip2双重突变体表现出类似于BRM的表型

图2:brip1 brip2双重突变体表现出类似于BRM的表型

 

BRIP1 / 2与BRM全基因组共存

因为到目前为止的数据表明BRIP1/2与含BRM的SWI/SNF复合物相互作用,并且BRIP1/2的缺失导致表型和转录组的变化类似于BRM突变体,所以我们评估了BRIP1/2是否与含BRM的共定位拟南芥基因组中的SWI/SNF复合物,我们通过染色质免疫沉淀测序实验确定了BRIP1和BRIP2在全基因组中的占有率。

此外,BRM-1突变体中BRM靶基因的表达变化与BRIP1 BRIP2突变体中的表达呈强正相关,与BRIP1和BRIP2与BRM形成复合物的模型一致。调节拟南芥中的基因表达。总而言之,BRIP1/2和BRM之间的直接相互作用,它们在拟南芥基因组中的共同占据以及相似的突变表型和转录组变化强烈表明,BRIP1和BRIP2是植物中含BRM的SWI/SNF复合物的组成(专用)亚基。


图3:BRIP1和BRIP2与BRM全基因组共存

图3:BRIP1和BRIP2与BRM全基因组共存

 

BRM与全基因组靶基因的结合需要BRIP1和BRIP2

为了解决BRM对目标基因的占用是否需要冗余的BRIP1和BRIP2,我们通过ChIP-seq比较了WT中的BRM和BRIP1 BRIP2的全基因组占用。与WT相比,BRIP1 BRIP2中BRM相关峰的数量和相应的基因明显减少了。此外,在没有BRIP1和2的情况下,>90%的BRM结合位点显示BRM占有率显着降低或消除,而只有20个基因座显示出增加。无论在全局还是在单个位点,BRIP1 BRIP2中BRM的平均占用强度均显着降低。确认独立的ChIP-qPCR降低BRIP1 BRIP2中单个基因座的BRM占用。因此,BRM与染色质的关联在很大程度上取决于BRIP1/2。有趣的是,在BRM-1突变体中,BRIP1和BRIP2在靶基因上的占有率也明显降低,这表明BRIP1/2与染色质的结合需要BRM。

图4:BRIP1/2的丢失导致全基因组BRM占用率降低

图4:BRIP1/2的丢失导致全基因组BRM占用率降低

 

需要BRIP1和BRIP2来保持SWI / SNF复合体的丰度

BRIP1或BRIP2中不存在独特的DNA结合结构域,这与它们通过直接结合靶基因而招募BRM的功能背道而驰。因此,我们认为BRIP1和BRIP2对于构建含BRM的SWI/SNF复合物可能是必需的。 BRIP1 BRIP2突变体背景的FLAG或GFP IP样品中的肽总数也与WT相似,表明在蛋白水平对SWI/SNF亚基具有特异性。为了进一步评估SWI/SNF复合物的组装是否需要BRIP1/2,我们将SWI3C-FLAG转基因引入了BRM-GFP系,并用于co-IP分析。 BRIP1/2的缺失导致BRM-GFP和SWI3C–FLAG的蛋白质水平大大降低,并且BRM亚基掺入复合物中的程度降低,如SWI3C–FLAG的免疫沉淀法所示。总之,这些数据表明,BRIP1和BRIP2是维持SWI/SNF复合物所必需的,而BRIP1 BRIP2突变体中靶基因上BRM的占有率降低可能是由于BRM蛋白水平降低所致。

图5:BRIP1和BRIP2对于BRM复合体的完整性至关重要

图5:BRIP1和BRIP2对于BRM复合体的完整性至关重要

 

GLTSCR域对于BRIP2的功能至关重要

在BRIP1 BRIP2(以下称为BRIP2ΔGLTSCR)中,在其天然启动子的控制下缺乏GLTSCR结构域。 BRIP2ΔGLTSCR的蛋白质水平比BRIP2的蛋白质水平低得多,尽管转录水平有中等程度的降低。 BRIP2ΔGLTSCR无法挽救BRIP1 BRIP2双突变体的向下卷曲的叶片和短角果表型,表明GLTSCR结构域对于BRIP2的生物学功能至关重要。 此外,ChIP-qPCR分析表明,BRIP2ΔGLTSCR无法占据与相应的WT BRIP2结合的基因组位点,表明GLTSCR结构域对于BRIP2与染色质的结合至关重要。

图6:GLtSCR域对于BRIP2的功能至关重要

图6:GLtSCR域对于BRIP2的功能至关重要

 

结论

GLTSCR结构域对于BRIP1/2的生物学功能至关重要, GLTSCR结构域的缺失导致BRIP2蛋白水平降低。此外,特别需要GLTSCR域,并且该域足以与BRM交互。。我们推测,GLTSCR结构域可能在植物中的BRIP1/2-BRM复合物的组织中起作用,因此,如果没有GLTSCR结构域,则BRIP1/2可能与SWI/SNF复合物分离,因此变得更易于降解。需要进一步的研究来检验这个假设,由于BRIP1/2的丧失并没有产生与brm null突变体一样强的表型,并且完全降解了含BRM的SWI/SNF复合物,因此植物中可能存在除BRIP1/2之外的其他核心亚基,仍有待表征。将来对其他亚基的鉴定和表征,再结合此处介绍的工作,应该会进一步增进我们对植物SWI/SNF复合物的了解。

 

参考资料

[1] Hargreaves, D. C. & Crabtree, G. R. ATP-dependent chromatin remodeling: genetics, genomics and mechanisms. Cell Res.21, 396–420 (2011).

[2] Clapier, C. R. & Cairns, B. R. The biology of chromatin remodeling complexes. Annu. Rev. Biochem.78, 273–304 (2009).

[3] Clapier, C. R., Iwasa, J., Cairns, B. R. & Peterson, C. L. Mechanisms of action and regulation of ATP-dependent chromatin-remodelling complexes. Nat. Rev. Mol. Cell Biol.18, 407–422 (2017).

 

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41477-020-0734-z

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