Evolution og bevarelse af polycomb repressive complex 1 kernekomponenter og putative associerede faktorer i den grønne slægt

PRC1 kernekomponent: RING1

PRC1 RING-fingerproteiner består af de to klasser (Additional file 2), RING1 og BMI1, som begge er karakteriseret ved en bevaret kombination af RING- og Ring-finger- og WD40-associerede Ubiquitin-Like (RAWUL) domæner (Fig. 2 og 3). Ubiquitinligaseaktiviteten hos PRC1-kompleksforfattere er afhængig af deres RING-domæne . Hos dyr er RING1b en vigtig H2Aub-skriver, mens RING1a spiller mindre roller. BMI1 udviser ingen E3-ligaseaktivitet, men kan stabilisere og forbedre RING1b-funktioner . I Arabidopsis kan både AtRING1a/b- og AtBMI1a/b/c-familierne katalysere H2Aub . I det vegetative stadium kan AtRING1a/1b undertrykke overgangen fra vegetativ til embryonisk overgang og ektopisk meristemdannelse hovedsagelig via undertrykkelse af fejludtryk af henholdsvis embryo masterregulatorer og stamcelleregulatorer . På det reproduktive stadium udviser Arabidopsis-dobbeltmutanten ring1a;ring1b et overordentlig højt antal blomsterorganer og stærke fænotyper med dramatisk hævelse af gynoecium og fuldstændig sterilitet . Både AtRING1a og AtRING1b kan kontrollere vedligeholdelsen af blomsterstamceller og korrekt karpeludvikling ved at undertrykke KNOX-I-ekspression . RING1a/b-mutation kan forårsage tidlig vegetativ faseovergang ved at regulere H2Aub-statusen på SPL-lokus .

I et fylogenetisk træ kan planternes RING1-proteiner opdeles i tre grene: frøplanter (gruppe I), mos- og bregner (gruppe II) og alger (gruppe III, fig. 2). Det fylogenetiske forhold mellem RING1-homologerne er i overensstemmelse med planteevolutionen. RING1 har gennemgået en og to duplikationer i henholdsvis eudicot og monocot forfædre . De fleste RING1-proteiner udviser to kopier i hver art, men PtRING1 og ZmRING1 forekommer i fire kopier, og BrRING1 er til stede i tre kopier. Duplikationsbegivenheden kan imidlertid forekomme efter adskillelsen af monokotyledoner og dikotyledoner. RING1-proteiner i eudicoter viser lignende domæneorganisationer (Fig. 2). RING1-proteiner i monokotyper er kun repræsenteret af Poaceae, der viser få variable domæneorganisationer. Det typiske RING-domæne, POU, som er et todelt DNA-bindingsdomæne, og Ras Exchanger Motif findes også i ZmRING1a, Agrobacterium VirD5-protein, og Spectrin-repeats-domæner vises i BdRING1b. Prion-domæne forekommer i OsRING1b. Det er interessant, at POU-domænet først blev identificeret i planter. Gruppe-II findes i bregner og Physcomitrella patens, mens gruppe-III findes i to alger. Begge disse grupper er imidlertid velkonserverede i domæneorganisationer.

PRC1 kernekomponent: BMI1

De tre BMI1-lignende proteiner, AtBMI1a, AtBMI1b og AtBMI1c findes i Arabidopsis . BMI1-mangel (atbmi1a;atbmi1b-dobbeltmutant) forårsager en embryonisk-lignende struktur i det vegetative stadium og et stort antal blomsterorganer i det reproduktive stadium, et træk, der ligeledes findes i ring1a;ring1b-dobbeltmutanten . I lighed med RING1-proteiner fungerer BMI1a/1b som PRC1-skrivere for H2Aub, der koordinerer med PRC2-medieret H3K27me3 for at opretholde celleidentitet . AtBMI1a/1b fungerer som en E3 ubiquitinligase og er involveret i tørkerespons . MIR156A og MIR156C er også målgener for AtBMI1, som regulerer overgangen fra grøntsag til produktiv udvikling . Især fungerer AtBMI1c som et præget gen, der udtrykker moderligt allel i endospermen, men biallelisk i støvbladet . BMI1-proteiner kan identificeres i alle planter og i algen Volvox carteri, men ikke i algerne Ostreococcus lucimarinus eller Chlamydomonas reinhardtii; desuden er BMI1 opdelt i to grupper, nemlig BMI1a/1b og BMI1c-homologer (Fig. 3). Alle BMI1’er indeholder stærkt konserverede RING- og RAWUL-domæner undtagen BsBMI1a, PtBMI1d og OrBMI1b, OrBMI1b mangler RAWUL-domænet. Sekvenslængden af BMI1’er ligger normalt mellem 350 og 550 aa, men FvBMI1c omfatter 974 aa-rester med en overlang C-terminus. Dicotyledon indeholder tre kopier af BMI1 med undtagelse af popler og bomuld fem kopier og appelsin to kopier. Alle BMI1a/1b-proteiner viser lignende domæneorganisationer, men ThBMI1b har et andet TIM-fosfatbindende motiv ved siden af RING-domænet; desuden ejer BdBMI1d et strukturelt vedligeholdelse af kromosomer (SMC) proteiner Fleksibelt hængselmotiv, som er ansvarlig for DNA-dimerisering og som en væsentlig determinant for dynamiske SMC-DNA-interaktioner . Stærkt konserveret AtBMI1c og dets homologer findes kun i Crucifera (Fig. 3).

Rawul-domænet blev først identificeret i PRC1 RING-fingerproteinerne, RING1- og BMI1-familierne, og det er konserveret i plante og orm . RAWUL-domænet kan være involveret i epigenetisk regulering ved at binde til PRC1 eller andre faktorer. Hos pattedyr er det blevet vist, at RAWUL binder til Ph homologer, selv om dette fænomen endnu ikke er blevet bekræftet. RAWUL-domænet kan således binde til andre proteiner, der er involveret i histon-ubiquitinering. Sanchez-Pulido et al. foreslog, at nogle andre proteiner viser PRC1 histon ubiquitineringsfunktioner . Arabidopsis HTA10 viser den konserverede PKKT-konsensussekvens . Majs ubiquitineret H2A kan være involveret i H2A ubiquitination . Korn RAWUL-protein Gnp4/LAX2 regulerer kornlængden via auxin-signalvejen ved at interferere med OsIAA3-OsARF25 . RAWUL-domænet kan danne et protein-protein-interaktionsmodul med PAL-domænet af AL6 N-terminus, som er en associeret faktor for PRC1 .

Rawul-domænet er ikke meget bevaret mellem dyr og planter. En sekvensaligneringsanalyse af RING1a/1b-homologer viser imidlertid, at domænerne er betydeligt konserveret fra lavere til højere planter, og BMI1a/1b/1c mangler β5. RING-proteinerne (BrRING1b, ZmRING1b og SmRING) og BMI1-proteinerne (AtBMI1c, BsBMI1a, OrBMI1b og VcBMI) indeholder ikke RAWUL-domæner (fig. 2 og 3, Additional file 3). RING- og RAWUL-domænet er muligvis særlige domæner for RING1- og BMI1-familierne.

PRC1 Kernekomponent: LHP1

I Arabidopsis er LHP1, en aktivator og en repressor af transkription, først identificeret som en Drodophila Heterochromatin-associeret Protein 1 (HP1)-homolog, der binder til H3K27m3-markører etableret af PRC2 og katalyserer monoubiquitination ved lysin 119 af histon H2A . LHP1 kan spille en analog rolle til fluens Pc i et PRC1-lignende kompleks . LHP1 indeholder to typiske domæner, Chromatin Organization Modifier (CHROMO)-domæne, som er afgørende for H3K27me3-bindingsspecificitet , og Chromo Shadow (ChSh)-domæne . I modsætning til sin dyremodpart er LHP1 overvejende placeret inden for euchromatinet . Lokaliseringen og fastholdelsen af Fern LHP1 styres af forskellige domæner, og dens fastholdelse ved nucleolus og kromocentrene er betinget af ChSh-domænet . P. patens PpLHP1 interagerer med PpCMT gennem deres kromo-domæner . Som en PRC1-læser i planter , kontrollerer LHP1 flere udviklingsveje relateret til organudvikling, cellestørrelse og overgange fra vegetativ til reproduktiv fase .

LHP1-homologer gennemgår også planteevolutionen. Bortset fra de distinkte CHROMO- og ChSh-domæner indeholder nogle LHP’er andre forskellige motiver (fig. 4). For eksempel har poppel LHP1’er et ekstra CDC37-domæne i deres N-terminus, og AtLHP1 omfatter et ekstra B5-domæne, der findes i phenylalanin-tRNA-synthetase β-underenheder. OsLHP1 består af et andet Peptide Chain Release Factors-domæne, der er knyttet til proteinfamilien; desuden spiller dette domæne en vigtig rolle i nyligt syntetiserede polypeptidkæder, der frigives fra peptidyl-tRNA . BdLHP1 indeholder et andet ER-membranprotein SH3, som er forbundet med membranlokaliserede chaperoner. PpLHP1 omfatter et yderligere ostepontin-domæne.

PRC1-associeret faktor: EMF1

EMF1 og VRN1 findes specifikt i dicotyledon-arter . Både EMF1 og VRN1 er ikke-sekvensspecifikke DNA-bindingsproteiner, der regulerer genekspressionen under udviklingen af blomsterorganer. Aubert et al. betragtede EMF1 som et nyt protein, der er involveret i kontrollen af skudarkitektur og blomstring i Arabidopsis; desuden forårsager EMF1 loss-of-function-mutanter en accelereret overgang fra embryonal til reproduktiv udvikling . EMF1 og EMF2 deltager i den PcG-medierede silencing af blomsterhomeotiske gener og er afgørende for den vegetative udvikling . EMF1, ATX1 og ULT1 kan arbejde sammen for at opretholde kromatinintegriteten og forhindre tidlig frøgenekspression efter spiring . EMF1 er forbundet med en H3K27me3-læser, der er nødvendig for H3K27me3 . EMF1, LHP1 og histon H3 lysin-4 demethylase kan danne et EMF1c-kompleks for at spille vigtige roller i reguleringen af MIR172 og Flowering Locus T (FT) .

Hver art har et enkelt EMF1 homologt gen undtagen agurk, bomuld og Eutrema med to og kål med fire. Fylogenetisk analyse viser, at EMF1 er velkonserveret i dicotyledon, men mangler muligvis repræsentative eller intakte domæner i Pfam- og SMART-databasen. Proteinsekvenstilpasning tyder på, at seks konserverede motiver, især motiv 4, 5 og 6 (fig. 5, Additional file 4), og hvis funktioner er ukendte.

PRC1-associeret faktor: VRN1

VRN1 og VAL1/2/3 er plantespecifikke komponenter af PRC1 og er underklasser af den plantespecifikke B3-domænetranskriptionsfaktorfamilie (Yderligere fil 5). I lighed med EMF1 kan Arabidopsis VRN-gener formidle vernalisering og spille en vigtig rolle i overgangen fra vegetativ til reproduktiv fase som reaktion på langvarig kuldebehandling. VRN1 lokaliseres i kernen og er sekvensuafhængig i DNA-binding, målretning ved FLC og FT2 . Loss-of-function mutanter viser lignende fænotyper som andre PRC1 mutanter .

VRN1 og dens homologer er undergrupperet i de to klasser, AtVRN1a/RTV1 og AtVRN1b/1c/1d. B3-domænet er muligvis et særligt domæne i VRN1-familien (71, fig. 6). AtVRN1, som i denne undersøgelse benævnes AtVRN1a, er karakteriseret med to B3-domæner, findes kun i højere plantearter og binder specifikt til DNA . I den aktuelle undersøgelse identificeres fem VRN1-homologer i Arabidopsis, og flere homologer findes også i andre dicotyledoner ved hjælp af BlastP. Domæneorganisationen viste, at AtVRN1a og dens homologer består af to B3-domæner (Fig. 6). AtRTV1, AtVRN1b/1c/1d og deres homologer hovedsageligt i gruppe II viser et tab i det andet B3-domæne, som kan være vigtigt for deres funktioner . Dette domæne er erstattet af superfamilien BfiI_C_EcoRII_N_B3, som indeholder et N-terminalt DNA-bindingsdomæne for type IIE-begrænset endonuklease EcoRII-lignende proteiner, et C-terminalt DNA-bindingsdomæne for type IIS-begrænset endonuklease BfiI-lignende proteiner og plante-specifikke B3-proteiner .

PRC1-associeret faktor: VAL1/2/3

VAL-proteiner, der er identificeret som en transkriptionel repressor, er nødvendige for global undertrykkelse af embryonale geners ekspression . Frøplanterne af va l1 val2-dobbeltmutanten kan danne embryo-lignende proliferationer i rødder og apikale meristemer, men ikke i blade. Val2/val3-mutanter udviser lignende dominerende virkninger i de val1 homozygote mutantplanter . I val1-mutanter er 39 % af transkriptionerne i FUSCA3-regulatoren nedtrykt, mens de centrale LAFL-netværkstranskriptionsfaktorer ikke er nedtrykt. Alle formodede målrettede transskriptioner af VAL1 virker gennem epigenetisk og/eller transkriptionel repression . Desuden er VAL1 og VAL2 involveret i vernalisering via PcG. VAL-proteiner arbejder sammen med BMI1 for at formidle monoubiquitylering af H2AK119 og initiere repression af frømodningsgener . VAL-proteiner medierer repression ved at rekruttere et histon deacetylase-kompleks til LEC1/AFL-gener . VAL1 undertrykker FLC-transkription ved at fremme histon deacetylering . VAL1 nedregulerer AGL15 ved H3K27me3-aflejring ved AGL15’s opstrømssekvenser .

Med undtagelse af B3- og zf-CW-domæner, som er mulige specielle domæner for VAL1/2/3-familien, bærer de fleste VAL1/2/3-homologer yderligere zinkfingermotiver, såsom PHD og ZnF-GATA, på 3′-terminalen (fig. 7). VAL1-B3-domænet er nødvendigt for at interagere med det kanoniske Sph/RY-element i AGL15 og FLC . Zf-CW-domænet er et medlem af histonmodifikationslæsermodulerne til epigenetisk regulering . I den aktuelle undersøgelse findes VRN1-familien kun i dicotyledoner (Fig. 6), og dens homologer indeholder et eller to B3-domæner. I modsætning hertil findes VAL1/2/3-proteiner fra alger til angiospermer, og kun ét B3-domæne. Desuden kan VAL1/2/3-proteinerne grupperes i tre grupper (fig. 7). Gruppe I-holdige VAL1-homologer findes kun i dicotyledoner; gruppe II-holdige VAL2-homologer og gruppe III-holdige VAL3-homologer findes i både dicotyledoner og monokotyledoner. Som det fremgår af vores resultater viser alger og bregner kun ét VAL-homologt protein, mens mos viser fem medlemmer, og O. lucimarinus viser ingen.

PRC1-associeret faktor: AL1-7

AL-proteiner, der bærer et bevaret PHD-domæne, blev identificeret som en transkriptionsfaktor . Arabidopsis Alfin-proteiner betragtes som H3K4me2/3-læsere og fungerer som nye partnere af AtRING1 og AtBMI1 . AL-proteinet er involveret i mange udviklingsprocesser, såsom forstærkning af MsPRP2-ekspression i alfalfa-rødder og bidrager til salttolerance . I Arabidopsis kan både AL1 og AL5 binde sig til promotorregionerne af målgener og undertrykke flere negative faktorer for at give abiotisk stresstolerance . Arabidopsis AL6 er involveret i reguleringen af ekspressionen af rodhårstrækningsrelaterede transskriptioner ved fosfatmangel; desuden skyldes denne proces dens PHD-domæne, der kan binde til H3K4me3, hvilket er en epigenetisk reguleringsstrategi for lav fosfattilgængelighed . AtAL7 spiller imidlertid en negativ rolle i salt tolerance . I den aktuelle undersøgelse deler AL- og ING-familierne PHD-domænet, og det fylogenetiske træ viser, at de tilhører forskellige grene, hvilket tyder på deres tætte relation (Yderligere fil 6). ALs-familien er den største PRC1-associerede faktorfamilie. Arabidopsis omfatter syv AL’er, der kan opdeles i tre grupper, AtAL1/2, AtAL3/4/5 og AtAL6/7 . I den aktuelle undersøgelse kan AL-proteinerne i frøplanter opdeles i tre grupper, nemlig Gruppe-I (AL1/2), Gruppe-II (AL3/4/5) og Gruppe-III (AL6/7). AL-proteinerne fra sporeplanter er placeret nederst i det fylogenetiske træ (fig. 7). Majs og bomuld omfatter flere AL-proteinmedlemmer end andre arter.

Bortset fra FvAL5, som omfatter 687aa med tre Alfin-domæner og et PHD-domæne, er de fleste planter ekstremt konserverede i domæneorganisationer, dvs. et Alfin-domæne og PHD, og udviser en sekvenslængde på ca. 230-300aa. (Fig. 7, Additional file 1). Et Alfin- og PHD-domæne, det særlige domæne for AL-familien, er fordelt på N- eller C-terminus af proteinerne. PAL-motivet, der er placeret i Alfin-domænet, i AL2- og AL7-proteinerne kan binde til RING1 og BMI1 . PHD-fingerproteiner findes universelt i eukaryoter og fungerer som nøgleaktører i reguleringen af transkription og kromatinstruktur . PHD-finger er nødvendig for H3K4me3/2-binding i AL- og ING-familierne .

PRC1-associeret faktor: ING1/2

AL-proteiner findes kun i planter, mens ING-proteiner er vidt udbredt i gær, dyr og planter. ING blev først identificeret i pattedyr, og alle fem ING-proteiner kan binde til H3K4me3/2 gennem PHD-fingre og fungere som komponenter i histonmodifikationer . Disse proteiner er imidlertid sjældent blevet undersøgt i planter. I lighed med AL-proteinerne kan konserverede AtING-proteiner genkende H3K4me3/2 formidlet af PHD-fingre, mens de biologiske funktioner af AtING er ukendte .

De fleste planter indeholder to ING-gener (Fig. 8). ING-proteiner bærer et N-terminalt ING-domæne, der binder til umodificerede H3-halehaler, og et C-terminalt PHD-domæne, der er nødvendigt for at binde H3K4me2/3 . I modsætning til tidligere arbejder identificerede vi VcING1/2, OlING1 og CrING1/2 homologer i grønalger. PHD-fingrene i VcING2 og CrING2 er erstattet af Tudor-domæner, som også er impliceret i protein-protein-interaktioner. Tudor-domænet kan binde til de symmetrisk dimeterede argininer i arginin-glycinrige sekvenser og histon H4 dimeteret ved Lys20 .

PRC1-associeret faktor: EBS/SHL

EBS og SHL er BAH-domæneholdige proteiner , som kun findes i planteriget og er vidt udbredt fra lavere til højere planter (Fig. 1, ). Arabidopsis EBS-proteiner er negative transkriptionelle regulatorer, og ebs-mutationer resulterer i tidlige blomstringsfænotyper . EBS og SHL binder sig til forskellige florale integratorer, idet EBS regulerer FT og SHL undertrykker SOC1 . EBS og SHL virker redundant i reguleringen af frøhvile . EBS/SHL er H3K27me3-læsere, der også kan binde H3K4me3 .

EBS/SHL-proteiner, der er undergrupperet i to klasser (gruppe-I EBS-homologer og gruppe-II SHL-homologer). Gruppe-I findes i højere planter, men gruppe-II findes kun i angiospermer. Tre EBS-homologer, PpEBSe/d/f fra mosser og EBS/SHL-homologer fra alger, ligger nederst i det fylogenetiske træ. De fleste arter omfatter en enkelt SHL-kopi, men flere EBS-kopier, som det er rapporteret hos poppel, bomuld og mos (fig. 1 og 9). EBS/SHL-proteinerne er meget konserverede i længden, som varierer fra 199 til 336 aa (de fleste er omkring 220 aa), og i domæneorganiseringen, et N-terminalt BAH-domæne og et C-terminalt PHD-domæne (Fig. 9). PHD-fingeren er relateret til H3K4me2/me3, og BAH-domænet aflæser H3K27me2/me3-mærket. Generelt korrelerer H3K4me3 med transkriptionel aktivering, mens H3K27me3 korrelerer med gensilensning i planter og dyr. EBS har et BAH-domæne og et PHD-domæne, der læser og påvirker henholdsvis H3K27me2/me3- og H3K4me/me3-mærker . Desuden medierer BAH-domænet, ikke PHD-fingeren, interaktionen mellem SHL eller EBS og EMF1 . BAH-H3K27me3- og PHD-H3K4me3-interaktioner er vigtige for SHL-medieret blomstringsrepression . EBS/SHL balancerer aktive og repressive kromatintilstande.