2012CB910900-G-植物表观遗传调控及其在重要发育过程中的作用机制及结构基础研究

项目名称：植物表观遗传调控及其在重要发育过程

中的作用机制及结构基础研究

首席科学家：邓兴旺北京大学

起止年限：2012.1至2016.8

依托部门：教育部中国科学院河北省科技厅

北京市科委

一、关键科学问题及研究内容

（一）拟解决的关键科学问题

根据当前国内外植物表观遗传学机制和功能研究取得的进展和未来的发展趋势，本项目拟解决的3个关键科学问题是：

1、植物表观遗传调控的结构基础和分子机制：结合结构生物学、生物化学、遗传学和分子生物学的手段和方法研究表观遗传调控基因表达和沉默的分子途径、结构基础和作用机制，包括miRNA途径中从miRNA前体加工形成成熟的miRNA过程的调控机制、miRNA效应复合体（RISC）结构、组分和miRNA进入AGO1复合体的调控机制、该复合体在复杂的细胞内环境找到靶标mRNA的机制以及该复合体结构和功能之间的关系；siRNA途径中RNA介导的DNA甲基化途径效应复合体（RITS）关键组分、结构以及结构和功能之间的关系、DNA 依赖的RNA聚合酶Pol IV/V的转录活性调控和模板识别机制、效应因子通过DNA甲基化影响基因表达的结构和分子机制、PcG介导的基因沉默途径的组分和作用机制、PcG和RNA介导的两个基因沉默途径相互作用的分子机制。通过对上述表观遗传学基本问题和机制的了解，完善和发展表观遗传学的理论体系。

2、植物细胞分化和发育的表观遗传学机制：基因的差异表达是细胞分化和发育发生的基础。构成同一个生物体的不同细胞处于不同分化状态，根本原因是不同细胞中基因表达存在差异。同一个物种的干细胞与不同分化状态的细胞或处于不同环境条件生长细胞的基因组是完全相同的，但它们基因组的表达差异却很大。所以，基因表达差异不是由基因组决定的，而是由基因组DNA和与其紧密结合的组蛋白构成的染色质的共价修饰状态即表观基因组（Epigenome）决定。了解一个物种不同细胞的表观修饰状态以及这种修饰状态与基因表达活性以及与细胞分化和个体发育之间的关系是发育生物学和表观遗传修饰功能的基本问题。本项申请将在单基因和全基因组水平研究不同类型细胞特异性的表观遗传修饰，包括DNA甲基化、组蛋白修饰以及组蛋白构成水平差异，这些差异与基因表达和非编码RNA表达差异与细胞分化和发育之间的关系，以及参与细胞分化和重要发育过程控制的重要蛋白（或蛋白复合体）结构和功能之间的关系，从而解析植物细胞分化和发育的表观遗传机制。

3、植物杂种优势形成的表观遗传调控机制：杂种优势是一个重要的生物学现象

和基本的生物学问题，同时也是目前提高作物产量的关键途径。但对杂种优势的机理还很不清楚，这也严重制约了杂种优势潜力的进一步提高。杂交种涉及来自两个亲本的基因组之间的相互作用，了解表观遗传学机制在调控杂种优势中的作用有重要的科学意义和应用价值。另一方面，在解析表观遗传学机制的同时，了解通过表观遗传学机制调控的生物学过程对于进一步理解和认识表观遗传学机制和功能也具有重大意义。

（二）主要研究内容

本项目拟以拟南芥、水稻、玉米等三种植物为研究对象，围绕上述3个关键科学问题，主要开展以下7个方面的研究工作。在研究内容的布局上，并不是每个研究内容均涵盖三种植物，而是根据研究内容的需要和每个植物的特点及存在的问题，选一到三种植物开展研究。

1、利用生物化学和遗传学手段鉴定植物miRNA和siRNA途径的新组分、调控和作用机制：鉴定参与miRNA前体加工形成成熟的miRNA过程的组分、研究miRNA效应复合体（RISC）新组分和生物学功能之间关系、miRNA进入AGO1复合体的调控机制以及该复合体在复杂的细胞内环境找到靶标mRNA的机制，从而解析植物miRNA途径的组分、调控和作用机制；鉴定参与siRNA介导的DNA甲基化途径的新组分，研究转录沉默复合体RITS蛋白组成及其在DNA甲基化过程中的功能，了解DNA甲基化与组蛋白修饰之间的关系以及在基因沉默和基因转录调控过程的作用机制。

2、利用结构生物学手段研究RNAi通路的核心蛋白质，进一步揭示RNAi核心生化过程的分子机理：包括：1）AGO及其复合物的结构。AGO是RNA沉默过程中的标志性效应分子，各种小RNA最终都和AGO结合引发特异的基因沉默反应。AGO还和一大类含GW重复序列的蛋白质互作，介导多种生物效应。因此AGO及其复合物的三维结构对理解小RNA作用的分子机制有重要意义；2）DCL1及其复合物的结构。miRNA发生依赖于DCL1对其前体分子中发夹结构的精确切割。DCL1和HYL1和SERRATE形成复合物。DCL1如何识别并精确地切割大量不同序列的底物是仍未解决的重大问题；3）在项目组其它成员研究结果的基础上，解析植物特异的表观遗传和RNAi通路中重要相关蛋白的结构，比如RNA聚合酶IVb的大亚基N RPE1、效应分子KTF1和AGO4组成的DNA 甲基化蛋白复合体（He et al., Cell 2009）。

通过以上两项研究进一步全面深入地认识RNA介导基因沉默的结构基础和分子机理。

3、植物体系PcG和RNA介导的基因沉默途径相互作用研究：PcG介导的基因沉默和RNA介导的基因沉默是多细胞生物中保守的两种基因沉默途径和方式。以前的结果认为这是两个平行的途径，我们最近的研究结果表明PcG通过特异性地抑制AGO基因家族不同成员的表达来调节不同AGO功能的专化，从而建立起了这两个基因沉默途径的联系。该项课题将在上述结果的基础上进一步解析PcG使AGO基因沉默的分子机制、不同AGO蛋白功能专化的机制以及不同AGO 蛋白参与的基因沉默途径之间的相互作用。上述结果进一步全面深入地认识植物基因沉默的分子机理。

4、细胞特异性组蛋白修饰的鉴定和组蛋白修饰与细胞分化和发育分子网络研究：定量地鉴定植物典型类型细胞组蛋白的翻译后修饰（包括甲基化、乙酰化和磷酸化等）的图谱，从而找出细胞特异性的组蛋白修饰特征，解析控制细胞分化的“组蛋白密码”。建立在细胞精度组蛋白关键修饰类型（甲基化、乙酰化和磷酸化）的蛋白质组学和基因组学研究方法；以野生型材料花原基细胞分化和根毛发生为例，并应用上述两个研究内容得到的影响细胞分化和植物发育的突变体的某一类细胞（根据突变体表型决定细胞类型），在细胞精度解析细胞分化和发育过程中基因组水平基因表达、组蛋白修饰的网络，解析它们之间以及与细胞分化的关系，解析细胞分化的分子网络。

5、植物发育调控的表观遗传学机制研究：解析组蛋白化学修饰和DNA的甲基化在植物重要发育过程如开花和顶端分生组织分化中的作用。同时分析上述研究内容1-3得到的影响细胞分化和植物发育的突变体分析表观遗传学机制在植物发育过程中的作用和方式。另外，验证根据上述蛋白结构解析得出的结构和生物学功能之间的关系和根据结构解析结果做假设并验证。

6、植物杂交种中亲本等位基因差异表达的表观遗传调控机制：以水稻籼粳亚种间杂交组合、玉米杂交组合和拟南芥野生型杂交组合为材料，选取特定发育时期的组织或器官，通过对杂交种及其亲本不同组织同时进行DNA甲基化谱、组蛋白修饰谱、非编码RNA转录组以及mRNA转录组的深度测定，并结合它们与杂交种中等位基因差异表达之间的相关性分析，在全基因水平上解析杂交种与亲本