博士生Ayasha Akter(神户大学农学研究生院)和技术人员Satoshi Takahashi(来自RIKEN可持续资源科学中心)揭示了组蛋白修饰H3K27me3在调节大白菜基因表达中的重要作用。此外，他们阐明了H3K27me3在春化中的作用，这是使芸苔白菜(例如大白菜)开花的重要过程。

协作研究小组由神户大学农业研究生院，RIKEN可持续资源科学中心和CSIRO澳大利亚的成员组成。

这些结果最初于2019年10月17日在线发表在《DNA Research》杂志上。

组蛋白是在基因调控中起作用的蛋白质 -它们也将DNA包装成称为核小体的结构。核小体是包裹在八个组蛋白的核心周围的DNA片段-该核心称为组蛋白八聚体(图1)。组蛋白甲基化是通过添加一个，两个或三个甲基来修饰组蛋白中某些氨基酸的过程。组蛋白的甲基化改变了DNA的包装，并允许转录因子或其他蛋白质访问DNA并打开或关闭基因。这样，组蛋白可以改变基因表达但不是DNA序列。这被称为表观遗传变化。对于H3K27me3，H3家族组蛋白的甲基化靶向赖氨酸残基(K27)。H3K27me3通常与基因沉默相关。

大白菜(Brassica rapa L.)的完整基因组序列自2011年以来可用。但是，人们对H3K27me3发挥的确切作用尚不清楚。这项研究揭示了H3K27me3在春化过程中的重要性。春化是大白菜在冷暴露后开花的过程。

在这项研究中，使用了两个大白菜自交系(T23和T24)。选择这些系来研究H3K27me3在组织特异性基因表达中的作用，因为它们与2011年发现的参考全基因组序列在遗传上相似。研究团队比较了两个系之间以H3K27me3标记的基因数量，在不同的组织之间。他们发现，H3K27me3在两条线之间的分布相似。但是，H3K27me3在同一行中不同组织之间的分布存在较大差异。换句话说，发现具有H3K27me3标记的基因显示出组织特异性表达(图2)。这表明该组蛋白修饰在植物组织发育期间在基因表达的调节中起作用。

接下来，他们研究了基因表达水平与H3K27me3的存在之间的关系。为此，他们测量了所有样本(约8000个基因)中被H3K27me3修饰的基因的表达水平，并将其与所有基因(约40,000个基因)的表达水平进行了比较。他们发现，H3K27me3修饰的基因中的表达水平较低(图3)。这些结果表明，H3K27me3在抑制基因表达中起作用。此外，发现负责组织特异性表达的基因中H3K27me3的水平较高(图4)。这表明H3K27me3在植物发育过程中调节基因表达。

图3：H3K27me3基因的表达水平。“ K27 +”表示具有H3K27me3的基因，“总计”是指所有基因。信用：神户大学

大白菜与拟南芥(Arabidopsis thaliana)来自相同的芸苔属。因此，研究人员决定比较这些紧密相关植物中H3K27me3的存在。发现H3K27me3以相似的方式改变了两个物种中40%的修饰基因，表明这些修饰在物种形成后仍然存在。这表明H3K27me3修饰在两个物种中都起着至关重要的作用。

最后，进行了一项实验，以了解春化前后H3K27me3水平如何变化。春化是指一些植物品种在经历一段寒冷天气后开花的过程。在先前的研究中，揭示了基因落花基因C(FLC)在防止春菜前B. rapa家族的蔬菜开花中起关键作用。FLC基因的表达可确保植物在暴露于寒冷天气之前无法开花-这有助于防止植物在冬季开花。当植物经历寒冷时期时，FLC基因受到抑制，一旦温度变高，它就可以开花。

为了模拟春化条件，将大白菜和拟南芥植物在4°C的低温下保持4周。结果发现，在基因组水平上，H3K27me3水平没有较大变化。然而，H3K27me3在冷暴露后在两个物种的FLC基因中积累。在大白菜中，观察到H3K27me3在FLC转录起始位点附近积累。换句话说，在FLC基因被关闭的情况下，H3K27me3的水平很高。”当恢复正常的生长温度(22°C)时，H3K27me3遍及整个FLC旁系同源物。这表明H3K27me3在确保春化后，FLC基因仍然受阻。

总的来说，这项研究表明，组蛋白修饰的H3赖氨酸27三甲基化在调节负责组织分化的基因的表达中起着重要作用。他们还揭示了H3K27me3在春化过程中控制FLC表达的不可或缺的作用。

进一步研究H3K27me3在单个基因中的作用以及不同品种中H3K27me3水平之间的任何差异，将加深对该组蛋白修饰作用的了解。

如果成功，使用H3K27me3抑制FLC的实验可以使人为控制开花时间。该知识可用于农业，以提高B. rapa家庭的蔬菜种植率。