Evoluce a zachování jádrových složek polykombresivního komplexu 1 a předpokládaných přidružených faktorů v zelené linii

Jádrová složka PRC1: RING1

PRC1 proteiny s prstencovými prsty se skládají ze dvou kladů (Additional file 2), RING1 a BMI1, které se vyznačují konzervovanou kombinací domén RING a Ring-finger And WD40 associated Ubiquitin-Like (RAWUL) (obr. 2 a 3). Ubiquitin ligázová aktivita spisovatelů komplexu PRC1 závisí na jejich RING-doméně . U živočichů je RING1b klíčovým zapisovačem H2Aub, zatímco RING1a hraje vedlejší roli. BMI1 nevykazuje žádnou E3 ligázovou aktivitu, ale může stabilizovat a posilovat funkce RING1b . V Arabidopsis mohou rodiny AtRING1a/b i AtBMI1a/b/c katalyzovat H2Aub . Ve vegetativním stádiu mohou AtRING1a/1b potlačovat přechod z vegetativního do embryonálního stádia a ektopickou tvorbu meristémů především prostřednictvím potlačení chybné exprese hlavních regulátorů embrya, respektive regulátorů kmenových buněk . V reprodukční fázi vykazuje dvojitý mutant Arabidopsis ring1a;ring1b mimořádně vysoký počet květních orgánů a silné fenotypy vykazující dramatické zduření gynoecia a úplnou sterilitu . AtRING1a i AtRING1b mohou řídit udržování květních stonkových buněk a správný vývoj karpelu potlačením exprese KNOX-I . Mutace RING1a/b může způsobit časný přechod vegetativní fáze regulací stavu H2Aub v lokusu SPL .

Ve fylogenetickém stromu lze rostlinné proteiny RING1 rozdělit do tří větví: semenné rostliny (skupina-I), mechorosty (skupina-II) a řasy (skupina-III, obr. 2). Fylogenetické vztahy homologů RING1 odpovídají evoluci rostlin. RING1 prodělal jednu a dvě duplikace u předků eudicot a monocot . Většina proteinů RING1 vykazuje u každého druhu dvě kopie, ale PtRING1 a ZmRING1 se vyskytují ve čtyřech kopiích a BrRING1 přítomný ve třech kopiích. K duplikaci však mohlo dojít až po oddělení monokotyledonů a dikotyledonů. Proteiny RING1 u eudikotů vykazují podobné uspořádání domén (obr. 2). Proteiny RING1 u jednoděložných rostlin jsou zastoupeny pouze u brukvovitých a vykazují jen málo variabilní doménové organizace. Typická doména RING, POU, což je dvojdílná DNA vazebná doména, a Ras Exchanger Motif se nacházejí také u ZmRING1a, proteinu Agrobacterium VirD5 a domény Spectrin repeats se zobrazují u BdRING1b. Prionová doména se vyskytuje v OsRING1b. Zajímavé je, že doména POU byla poprvé identifikována u rostlin. Skupina-II se vyskytuje u kapradiny a Physcomitrella patens, zatímco skupina-III je přítomna u dvou řas. Obě tyto skupiny jsou však dobře konzervovány v organizaci domén.

Jádrová složka PRC1: BMI1

Tři proteiny podobné BMI1, AtBMI1a, AtBMI1b a AtBMI1c, existují v Arabidopsis . Nedostatek BMI1 (dvojitý mutant atbmi1a;atbmi1b) způsobuje embryonální strukturu ve vegetativním stadiu a vysoký počet květních orgánů v reprodukčním stadiu, což je vlastnost, která se podobně vyskytuje u dvojitého mutanta ring1a;ring1b . Podobně jako proteiny RING1 funguje BMI1a/1b jako zapisovatelé PRC1 pro H2Aub a koordinuje se s H3K27me3 zprostředkovaným PRC2 k udržení buněčné identity . AtBMI1a/1b funguje jako E3 ubikvitin ligáza a podílí se na reakci na sucho . MIR156A a MIR156C jsou rovněž cílovými geny AtBMI1, které regulují přechod z rostlinného do produktivního vývoje . Pozoruhodné je, že AtBMI1c funguje jako imprintovaný gen, který se exprimuje mateřskou alelou v endospermu, ale bialelicky v tyčince . Proteiny BMI1 lze identifikovat u všech rostlin a u řasy Volvox carteri, ale ne u řas Ostreococcus lucimarinus nebo Chlamydomonas reinhardtii; navíc se BMI1 dělí do dvou skupin, a to na homology BMI1a/1b a BMI1c (obr. 3). Všechny BMI1 obsahují vysoce konzervované domény RING a RAWUL s výjimkou BsBMI1a, PtBMI1d a OrBMI1b, OrBMI1b postrádá doménu RAWUL. Délka sekvence BMI1s se obvykle pohybuje mezi 350 a 550 aa, ale FvBMI1c obsahuje 974 aa zbytků s příliš dlouhým C-koncem. Dvoudomé rostliny obsahují tři kopie BMI1 s výjimkou topolu a bavlníku pět kopií a pomerančovníku dvě kopie. Všechny proteiny BMI1a/1b vykazují podobné uspořádání domén, ale ThBMI1b ukrývá další motiv vázající TIM-fosfát v sousedství domény RING; navíc BdBMI1d vlastní protein Structural Maintenance of Chromosomes (SMC) Flexible hinge motiv, který je zodpovědný za dimerizaci DNA a jako zásadní determinant dynamických interakcí SMC-DNA . Vysoce konzervovaný AtBMI1c a jeho homology se vyskytují pouze u Crucifera (obr. 3).

Doména RAWUL byla poprvé identifikována u PRC1 RING finger proteinů, rodiny RING1 a BMI1 a je konzervována u rostlin a červů . Doména RAWUL se může podílet na epigenetické regulaci vazbou na PRC1 nebo jiné faktory. U savců bylo prokázáno, že se RAWUL váže na homology Ph, ačkoli tento jev nebyl dosud potvrzen. Doména RAWUL se tedy může vázat na jiné proteiny zapojené do ubikvitinace histonů. Sanchez-Pulido et al. naznačili, že některé další proteiny vykazují PRC1 funkci ubikvitinace histonů . Arabidopsis HTA10 vykazuje konzervovanou konsenzuální sekvenci PKKT . Ubikvitinovaná H2A kukuřice se může podílet na ubikvitinaci H2A . Protein RAWUL zrna Gnp4/LAX2 reguluje délku zrna prostřednictvím auxinové signální dráhy interferencí s OsIAA3-OsARF25 . Doména RAWUL může tvořit protein-proteinový interakční modul s doménou PAL N-konce AL6, která je asociovaným faktorem PRC1 .

Doména RAWUL není mezi živočichy a rostlinami vysoce konzervovaná. Analýza zarovnání sekvencí homologů RING1a/1b však ukazuje, že domény jsou značně konzervované od nižších k vyšším rostlinám a BMI1a/1b/1c postrádá β5. Proteiny RING (BrRING1b, ZmRING1b a SmRING) a proteiny BMI1 (AtBMI1c, BsBMI1a, OrBMI1b a VcBMI) neobsahují domény RAWUL (obr. 2 a 3, Additional file 3). Domény RING a RAWUL jsou pravděpodobně speciální domény pro rodiny RING1 a BMI1.

PRC1 Core component: LHP1

V Arabidopsis je LHP1, aktivátor a represor transkripce, poprvé identifikován jako homolog Drodophila Heterochromatin-associated Protein 1 (HP1), který se váže na značky H3K27m3 stanovené PRC2 a katalyzuje monoubikvitinaci na lyzinu 119 histonu H2A . LHP1 může mít analogickou úlohu jako muší Pc v komplexu podobném PRC1 . LHP1 obsahuje dvě typické domény, doménu Chromatin Organization Modifier (CHROMO), která je nezbytná pro specifičnost vazby H3K27me3 , a doménu Chromo Shadow (ChSh) . Na rozdíl od svého zvířecího protějšku se LHP1 nachází převážně v euchromatinu . Lokalizace a retence Fern LHP1 jsou řízeny odlišnými doménami a jeho retence v jádře a chromocentrech je dána doménou ChSh . P. patens PpLHP1 interaguje s PpCMT prostřednictvím jejich chromo domén . Jako čtenář PRC1 v rostlinách , LHP1 řídí mnoho vývojových drah souvisejících s vývojem orgánů, velikostí buněk a přechody z vegetativní do reprodukční fáze .

Homology LHP1 také procházejí evolucí rostlin. Kromě rozlišených domén CHROMO a ChSh obsahují některé LHP další odlišné motivy (obr. 4). Například topolové LHP1 mají na N-konci další doménu CDC37 a AtLHP1 obsahují další doménu B5, která se vyskytuje u β podjednotek fenylalanin-tRNA syntetázy. OsLHP1 se skládá z další domény Peptide Chain Release Factors spojené s rodinou proteinů; tato doména navíc hraje důležitou roli v nově syntetizovaných polypeptidových řetězcích uvolňovaných z peptidyl-tRNA . BdLHP1 obsahuje další membránový protein ER SH3, který je spojen s membránově lokalizovanými chaperony. PpLHP1 obsahuje další ostepontinovou doménu.

PRC1 asociovaný faktor: EMF1

EMF1 a VRN1 se vyskytují specificky u dvouděložných druhů . EMF1 i VRN1 jsou nesekvenčně specifické DNA vazebné proteiny, které regulují expresi genů během vývoje květních orgánů. Aubert a kol. považovali EMF1 za nový protein, který se podílí na řízení architektury výhonků a kvetení u Arabidopsis; navíc mutanty se ztrátou funkce EMF1 způsobují zrychlený přechod z embryonálního do reprodukčního vývoje . EMF1 a EMF2 se podílejí na umlčování homeotických genů květu zprostředkovaném PcG a jsou klíčové pro vegetativní vývoj . EMF1, ATX1 a ULT1 mohou společně udržovat integritu chromatinu a zabraňovat předčasné expresi genů v semenech po vyklíčení . EMF1 je spojen s čtečkou H3K27me3 , která je nezbytná pro H3K27me3 . EMF1, LHP1 a histon H3 lysin-4 demetyláza mohou tvořit komplex EMF1c, který hraje důležitou roli v regulaci MIR172 a Flowering Locus T (FT) .

Každý druh ukrývá jeden homologní gen EMF1 s výjimkou okurky, bavlníku a Eutremy se dvěma a zelí se čtyřmi. Fylogenetická analýza ukazuje, že EMF1 jsou dobře konzervovány u dvoudomých rostlin, ale mohou postrádat reprezentativní nebo neporušené domény v databázi Pfam a SMART. Zarovnání sekvencí proteinů naznačuje, že šest konzervovaných motivů, zejména motiv 4, 5 a 6 (obr. 5, doplňkový soubor 4), a jejichž funkce nejsou známy.

Faktor asociovaný s PRC1: VRN1

VRN1 a VAL1/2/3 jsou rostlinně specifické komponenty PRC1 a jsou podskupinami rodiny transkripčních faktorů s doménou B3 specifickou pro rostliny (doplňkový soubor 5). Podobně jako EMF1 mohou geny VRN Arabidopsis zprostředkovávat vernalizaci a hrát hlavní roli při přechodu z vegetativní do reprodukční fáze v reakci na dlouhodobé působení chladu. VRN1 se lokalizuje v jádře a je sekvenčně nespecifický ve vazbě na DNA, cílení na FLC a FT2 . Mutanti se ztrátou funkce vykazují podobné fenotypy jako ostatní mutanti PRC1 .

VRN1 a jeho homology jsou rozděleny do dvou kladů, AtVRN1a/RTV1 a AtVRN1b/1c/1d. Doména B3 je pravděpodobně zvláštní doménou rodiny VRN1 (71, obr. 6). AtVRN1, který je v této studii pojmenován AtVRN1a, se vyznačuje dvěma doménami B3, vyskytuje se pouze u druhů vyšších rostlin a specificky se váže na DNA . V této studii bylo identifikováno pět homologů VRN1 v Arabidopsis a pomocí BlastP bylo nalezeno více homologů i v jiných dvouděložných rostlinách. Doménová organizace ukázala, že AtVRN1a a jeho homology se skládají ze dvou domén B3 (obr. 6). AtRTV1, AtVRN1b/1c/1d a jejich homology především ve skupině-II vykazují ztrátu druhé domény B3, která může být důležitá pro jejich funkce . Tato doména je nahrazena superrodinou BfiI_C_EcoRII_N_B3, která obsahuje N-koncovou DNA vazebnou doménu proteinů typu IIE s omezenou endonukleázou podobnou EcoRII, C-koncovou DNA vazebnou doménu proteinů typu IIS s omezenou endonukleázou podobnou BfiI a rostlinně specifické B3 proteiny .

PRC1 asociovaný faktor: VAL1/2/3

Bílkoviny VAL, které jsou identifikovány jako transkripční represor, jsou nezbytné pro globální represi exprese embryonálních genů . Semenáčky dvojitého mutanta va l1 val2 mohou vytvářet proliferace podobné embryím v kořenech a apikálním meristému, ale ne v listech. Mutanti val2/val3 vykazují podobné dominantní účinky jako homozygotní mutanty val1 . U mutantů val1 je 39 % transkriptů regulátoru FUSCA3 potlačeno, zatímco u základních transkripčních faktorů sítě LAFL nikoliv. Všechny předpokládané cílové transkripty VAL1 působí prostřednictvím epigenetické a/nebo transkripční represe . Kromě toho se VAL1 a VAL2 podílejí na vernalizaci prostřednictvím PcG. Proteiny VAL spolupracují s BMI1 na zprostředkování monoubiquitylace H2AK119 a iniciují represi genů zrání semen . Proteiny VAL zprostředkovávají represi prostřednictvím rekrutace histon deacetylázového komplexu ke genům LEC1/AFL . VAL1 potlačuje transkripci FLC podporou deacetylace histonů . VAL1 downreguluje AGL15 ukládáním H3K27me3 v upstream sekvencích AGL15 .

S výjimkou domén B3 a zf-CW, které jsou možnými speciálními doménami pro rodinu VAL1/2/3, nese většina homologů VAL1/2/3 na 3′-konci další motivy zinkových prstů, jako jsou PHD a ZnF-GATA (obr. 7). Doména VAL1-B3 je nezbytná pro interakci s kanonickým prvkem Sph/RY v rámci AGL15 a FLC . Doména zf-CW je členem modulů čtení modifikací histonů pro epigenetickou regulaci . V současné studii se rodina VRN1 vyskytuje pouze u dvoudomých rostlin (obr. 6) a její homology obsahují jednu nebo dvě domény B3. Naproti tomu proteiny VAL1/2/3 se vyskytují od řas po angiospermy a mají pouze jednu doménu B3. Proteiny VAL1/2/3 lze navíc rozdělit do tří skupin (obr. 7). Homology VAL1 obsahující skupinu I se vyskytují pouze u dvoudomých rostlin; homology VAL2 obsahující skupinu II a homology VAL3 obsahující skupinu III se vyskytují jak u dvoudomých, tak u jednodomých rostlin. Jak vyplývá z našich výsledků, řasy a kapradiny vykazují pouze jeden VAL homologní protein, zatímco mechy vykazují pět členů a O. lucimarinus nevykazuje žádný.

PRC1 asociovaný faktor: AL1-7

Bílkoviny AL, které nesou konzervovanou doménu PHD, byly identifikovány jako transkripční faktor . Arabidopsis Alfin proteiny jsou považovány za čtenáře H3K4me2/3 a fungují jako noví partneři AtRING1 a AtBMI1 . AL protein se podílí na mnoha vývojových procesech, například na zvýšení exprese MsPRP2 v kořenech vojtěšky a přispívá k toleranci vůči soli . V Arabidopsis se AL1 i AL5 mohou vázat na promotorové oblasti cílových genů a potlačovat více negativních faktorů a propůjčovat tak toleranci k abiotickému stresu . Arabidopsis AL6 se podílí na regulaci exprese transkriptů souvisejících s prodlužováním kořenových vlásků při fosfátovém hladovění; tento proces je navíc způsoben jeho PHD doménou, která se může vázat na H3K4me3, což je strategie epigenetické regulace při nízké dostupnosti fosfátů . AtAL7 však hraje negativní roli v toleranci vůči soli . V současné studii rodiny AL a ING sdílejí PHD doménu a fylogenetický strom ukazuje, že patří do různých větví, což naznačuje jejich blízký vztah (Additional file 6). Rodina ALs je největší rodinou faktorů asociovaných s PRC1. Arabidopsis zahrnuje sedm ALs, které lze rozdělit do tří skupin: AtAL1/2, AtAL3/4/5 a AtAL6/7 . V této studii lze AL proteiny semenných rostlin rozdělit do tří skupin, a to do skupiny-I (AL1/2), skupiny-II (AL3/4/5) a skupiny-III (AL6/7). AL proteiny výtrusných rostlin se nacházejí ve spodní části fylogenetického stromu (obr. 7). Kukuřice a bavlník obsahují více členů AL proteinů než ostatní druhy.

Kromě FvAL5, který obsahuje 687aa se třemi Alfin doménami a jednou PHD doménou, je u většiny rostlin extrémně konzervativní organizace domén, tedy jedna Alfin doména a PHD, a vykazuje délku sekvence přibližně 230-300aa. (Obr. 7, doplňkový soubor 1). Jedna doména Alfin a PHD, speciální doména pro rodinu AL, jsou rozmístěny na N- nebo C-konci proteinů. Motiv PAL, který se nachází v doméně Alfin, proteinů AL2 a AL7 se může vázat na RING1 a BMI1 . Proteiny PHD-finger se univerzálně vyskytují u eukaryot a působí jako klíčoví hráči při regulaci transkripce a struktury chromatinu . PHD finger je nutný pro vazbu H3K4me3/2 v rodinách AL a ING .

PRC1 asociovaný faktor: ING1/2

AL proteiny existují pouze u rostlin, zatímco ING proteiny jsou široce rozšířeny u kvasinek, živočichů a rostlin. ING byl poprvé identifikován u savců a všech pět proteinů ING se může vázat na H3K4me3/2 prostřednictvím prstů PHD a působit jako součásti modifikací histonů . Tyto proteiny však byly u rostlin studovány jen zřídka. Podobně jako AL proteiny mohou konzervované AtING proteiny rozpoznávat H3K4me3/2 zprostředkovaně přes PHD prsty, zatímco biologické funkce AtING nejsou známy .

Většina rostlin obsahuje dva ING geny (obr. 8). Proteiny ING nesou N-koncovou doménu ING, která se váže na nemodifikované ocásky H3, a C-koncovou doménu PHD, která je nezbytná pro vazbu H3K4me2/3 . Na rozdíl od předchozích prací jsme v zelených řasách identifikovali homology VcING1/2, OlING1 a CrING1/2 . Prsty PHD u VcING2 a CrING2 jsou nahrazeny Tudorovými doménami, které se rovněž podílejí na interakcích protein-protein. Tudorovy domény se mohou vázat na symetricky dimethylované argininy sekvencí bohatých na arginin a glycin a histon H4 dimethylovaný na Lys20 .

PRC1 asociovaný faktor: EBS/SHL

EBS a SHL jsou proteiny obsahující BAH doménu , které se vyskytují pouze v rostlinné říši a jsou široce rozšířené od nižších po vyšší rostliny (obr. 1, ). Proteiny EBS Arabidopsis jsou negativní transkripční regulátory a mutace ebs vedou k fenotypům časného kvetení . EBS a SHL se vážou na různé květní integrátory, přičemž EBS reguluje FT a SHL potlačuje SOC1 . EBS a SHL působí redundantně při regulaci dormance semen . EBS/SHL jsou čtečky H3K27me3 , které mohou také vázat H3K4me3 .

EBS/SHL proteiny, rozdělené do dvou kladů (homology EBS skupiny I a homology SHL skupiny II). Skupina-I se vyskytuje u vyšších rostlin, ale skupina-II pouze u nahosemenných. Tři homology EBS, PpEBSe/d/f z mechů a homology EBS/SHL z řas se nacházejí ve spodní části fylogenetického stromu. Většina druhů obsahuje jedinou kopii SHL, ale více kopií EBS, jak je uvedeno u topolu, bavlníku a mechu (obr. 1 a 9). Proteiny EBS/SHL jsou vysoce konzervované v délce, která se pohybuje od 199 do 336 aa (většina má kolem 220 aa), a v doménovém uspořádání, N-koncová doména BAH a C-koncová doména PHD (obr. 9). PHD prst souvisí s H3K4me2/me3 a BAH doména čte značku H3K27me2/me3. Obecně platí, že H3K4me3 koreluje s transkripční aktivací, zatímco H3K27me3 koreluje s umlčováním genů u rostlin a živočichů. EBS má doménu BAH a doménu PHD, které čtou a ovlivňují značky H3K27me2/me3 a H3K4me/me3 . Kromě toho BAH doména, nikoliv PHD prst, zprostředkovává interakci SHL nebo EBS s EMF1 . Interakce BAH-H3K27me3 a PHD-H3K4me3 jsou důležité pro represi květu zprostředkovanou SHL . EBS/SHL vyrovnává aktivní a represivní stavy chromatinu.

.