Evoluzione e conservazione dei componenti principali del complesso repressivo di polycomb 1 e dei fattori associati putativi nella stirpe verde

Componente principale diPRC1: RING1

PRC1 Le proteine RING finger sono composte da due cladi (Additional file 2), RING1 e BMI1, entrambe caratterizzate da una combinazione conservata di domini RING e Ring-finger And WD40 associated Ubiquitin-Like (RAWUL) (Figg. 2 e 3). L’attività di ubiquitina ligasi degli scrittori del complesso PRC1 si basa sul loro dominio RING. Negli animali, RING1b è un writer H2Aub chiave, mentre RING1a gioca ruoli minori. BMI1 non esibisce alcuna attività E3 ligasi ma può stabilizzare e migliorare le funzioni di RING1b. In Arabidopsis, entrambe le famiglie AtRING1a/b e AtBMI1a/b/c possono catalizzare H2Aub. Allo stadio vegetativo, AtRING1a/1b può reprimere la transizione vegetativa-embrionale e la formazione ectopica del meristema principalmente attraverso la soppressione della cattiva espressione dei regolatori principali dell’embrione e dei regolatori delle cellule staminali, rispettivamente. Allo stadio riproduttivo, l’Arabidopsis doppio mutante ring1a; ring1b esibisce un numero estremamente elevato di organi floreali, e forti fenotipi che mostrano il gineceo gonfiore drammatico e completamente sterile. Sia AtRING1a che AtRING1b possono controllare il mantenimento delle cellule staminali floreali e il corretto sviluppo del carpello reprimendo l’espressione di KNOX-I. La mutazione RING1a/b può causare la transizione precoce della fase vegetativa regolando lo stato H2Aub al locus SPL .

In un albero filogenetico, le proteine RING1 delle piante possono essere divise in tre rami: piante da seme (Gruppo-I), muschio-ferno (Gruppo-II), e alghe (Gruppo-III, Fig. 2). La relazione filogenetica degli omologhi di RING1 è coerente con l’evoluzione delle piante. RING1 ha subito una e due duplicazioni in antenati eudicot e monocotiledoni, rispettivamente. La maggior parte delle proteine RING1 presenta due copie in ogni specie, ma PtRING1 e ZmRING1 si presentano in quattro copie, e BrRING1 presente in tre copie. Tuttavia, l’evento di duplicazione può avvenire dopo la separazione di monocotiledoni e dicotiledoni. Le proteine RING1 nelle eudicotteri mostrano organizzazioni di dominio simili (Fig. 2). Le proteine RING1 nelle monocotiledoni sono rappresentate solo dalle Poaceae, mostrando poche organizzazioni di dominio variabili. Il tipico dominio RING, POU, che è un dominio bipartito DNA binding, e Ras Exchanger Motif si trovano anche in ZmRING1a, Agrobacterium VirD5 proteina, e Spectrin ripete domini visualizzare in BdRING1b. Il dominio Prion si trova in OsRING1b. Intrigante, il dominio POU è stato identificato per la prima volta nelle piante. Il gruppo-II esiste nella felce e nella Physcomitrella patens, mentre il gruppo-III è presente in due alghe. Tuttavia, entrambi questi gruppi sono ben conservati nell’organizzazione dei domini.

Componente centrale di PRC1: BMI1

Le tre proteine BMI1-like, AtBMI1a, AtBMI1b, e AtBMI1c esistono in Arabidopsis . La carenza di BMI1 (doppio mutante atbmi1a;atbmi1b) causa una struttura simile a quella embrionale allo stadio vegetativo e un alto numero di organi floreali nello stadio riproduttivo, una caratteristica simile a quella trovata nel doppio mutante ring1a;ring1b . Simile alle proteine RING1, BMI1a/1b funziona come scrittori PRC1 per H2Aub, coordinandosi con PRC2-mediato H3K27me3 per mantenere l’identità cellulare . AtBMI1a/1b funziona come ligasi E3 dell’ubiquitina, ed è coinvolto nella risposta alla siccità. MIR156A e MIR156C sono anche geni bersaglio di AtBMI1, regolando la transizione da vegetale a sviluppo produttivo. In particolare, AtBMI1c agisce come un gene imprinted che esprime maternamente allele nell’endosperma ma biallelicamente nello stame. Le proteine BMI1 possono essere identificate in tutte le piante e nell’alga Volvox carteri, ma non nelle alghe Ostreococcus lucimarinus o Chlamydomonas reinhardtii; inoltre, le BMI1 sono divise in due gruppi, cioè gli omologhi BMI1a/1b e BMI1c (Fig. 3). Tutti i BMI1 contengono domini RING e RAWUL altamente conservati ad eccezione di BsBMI1a, PtBMI1d e OrBMI1b, OrBMI1b manca del dominio RAWUL. La lunghezza della sequenza di BMI1s è solitamente compresa tra 350 e 550 aa, ma FvBMI1c comprende 974 residui aa con un C-terminale troppo lungo. I dicotiledoni contengono tre copie di BMI1, ad eccezione del pioppo e del cotone, cinque copie, e l’arancio due copie. Tutte le proteine BMI1a/1b mostrano organizzazioni di dominio simili, ma ThBMI1b ospita un altro motivo di legame TIM-fosfato adiacente al dominio RING; inoltre, BdBMI1d possiede un motivo di cerniera flessibile delle proteine Structural Maintenance of Chromosomes (SMC), che è responsabile della dimerizzazione del DNA e come determinante essenziale delle interazioni dinamiche SMC-DNA. AtBMI1c altamente conservato e i suoi omologhi si trovano solo in Crucifera (Fig. 3).

Il dominio RAWUL è stato identificato per la prima volta nelle proteine RING finger PRC1, famiglie RING1 e BMI1, ed è conservato in pianta e verme . Il dominio RAWUL può essere coinvolto nella regolazione epigenetica legandosi a PRC1 o ad altri fattori. Nei mammiferi, RAWUL ha dimostrato di legarsi agli omologhi di Ph anche se questo fenomeno non è stato finora confermato. Quindi, il dominio RAWUL potrebbe legarsi ad altre proteine coinvolte nell’ubiquitinazione degli istoni. Sanchez-Pulido et al. hanno suggerito che alcune altre proteine dimostrano funzioni di ubiquitinazione dell’istone PRC1. Arabidopsis HTA10 mostra la sequenza di consenso PKKT conservata. Il mais H2A ubiquitinato può essere coinvolto nell’ubiquitinazione H2A. La proteina RAWUL del grano Gnp4/LAX2 regola la lunghezza del grano attraverso la via di segnalazione dell’auxina interferendo con OsIAA3-OsARF25 . Il dominio RAWUL può formare un modulo di interazione proteina-proteina con il dominio PAL di AL6 N-terminale, che è un fattore associato di PRC1 .

Il dominio RAWUL non è altamente conservato tra animali e piante. Tuttavia, un’analisi di allineamento di sequenza degli omologhi RING1a/1b mostra che i domini sono considerevolmente conservati dalle piante inferiori a quelle superiori, e BMI1a/1b/1c manca di β5. Le proteine RING (BrRING1b, ZmRING1b e SmRING) e le proteine BMI1 (AtBMI1c, BsBMI1a, OrBMI1b e VcBMI) non contengono domini RAWUL (Figg. 2 e 3, Additional file 3). I domini RING e RAWUL possono essere domini speciali per le famiglie RING1 e BMI1.

PRC1 Core component: LHP1

In Arabidopsis, LHP1, un attivatore e un repressore della trascrizione, è stato identificato per la prima volta come un omologo di Drodophila Heterochromatin-associated Protein 1 (HP1) che si lega ai marcatori H3K27m3 stabiliti da PRC2 e catalizza la monoubiquitinazione alla lisina 119 dell’istone H2A . LHP1 può avere un ruolo analogo al Pc della mosca in un complesso PRC1-like . LHP1 contiene due domini tipici, il dominio Chromatin Organization Modifier (CHROMO) che è essenziale per la specificità del legame H3K27me3, e il dominio Chromo Shadow (ChSh). In contrasto con la sua controparte animale, LHP1 si trova prevalentemente all’interno dell’eucromatina. La localizzazione e la ritenzione di Fern LHP1 sono controllate da domini distinti, e la sua ritenzione al nucleolo e ai cromocentri è conferita dal dominio ChSh. P. patens PpLHP1 interagisce con PpCMT attraverso i loro domini chromo. Come un lettore PRC1 nelle piante , LHP1 controlla molteplici percorsi di sviluppo relativi allo sviluppo degli organi, dimensioni delle cellule, e transizioni di fase vegetativa a riproduttiva .

LHP1 omologhi anche in evoluzione vegetale. A parte i distinti domini CHROMO e ChSh, alcuni LHP contengono altri motivi distinti (Fig. 4). Per esempio, LHP1s pioppo hanno un ulteriore dominio CDC37 nel loro N-terminale, e AtLHP1 comprendono un ulteriore dominio B5 trovato in fenilalanina-tRNA sintetasi β subunità. OsLHP1 consiste in un altro dominio Peptide Chain Release Factors legato alla famiglia di proteine; inoltre, questo dominio svolge un ruolo importante nelle catene polipeptidiche appena sintetizzate rilasciate dal peptidyl-tRNA . BdLHP1 contiene un’altra proteina di membrana ER SH3, che è associata a chaperon localizzati sulla membrana. PpLHP1 comprende un ulteriore dominio ostepontina.

Fattore associato aPRC1: EMF1

EMF1 e VRN1 si trovano specificamente nelle specie dicotiledoni. Sia EMF1 che VRN1 sono proteine leganti il DNA non specifiche della sequenza che regolano l’espressione genica durante lo sviluppo degli organi del fiore. Aubert et al. hanno considerato EMF1 come una nuova proteina coinvolta nel controllo dell’architettura dei germogli e della fioritura in Arabidopsis; inoltre, i mutanti EMF1 loss-of-function causano una transizione accelerata dallo sviluppo embrionale a quello riproduttivo. EMF1 e EMF2 partecipano al silenziamento mediato da PcG dei geni omeotici dei fiori e sono cruciali per lo sviluppo vegetativo. EMF1, ATX1 e ULT1 possono lavorare insieme per mantenere l’integrità della cromatina e prevenire l’espressione precoce dei geni dei semi dopo la germinazione. EMF1 è associato a un lettore H3K27me3 che è richiesto per H3K27me3 . EMF1, LHP1, e l’istone H3 lisina-4 demetilasi possono formare un complesso EMF1c per svolgere ruoli importanti nella regolazione di MIR172 e Flowering Locus T (FT) .

Ogni specie ospita un singolo gene omologo EMF1 tranne il cetriolo, il cotone e Eutrema con due, e il cavolo con quattro. L’analisi filogenetica mostra che gli EMF1 sono ben conservati nelle dicotiledoni, ma possono mancare domini rappresentativi o intatti nel database Pfam e SMART. L’allineamento della sequenza proteica suggerisce che sei motivi conservati, specialmente il motivo 4, 5, e 6 (Fig. 5, file addizionale 4), e le cui funzioni sono sconosciute.

Fattore associato aPRC1: VRN1

VRN1 e VAL1/2/3 sono componenti plant-specifici di PRC1, e sono sottocladi della famiglia dei fattori di trascrizione B3 domain specifici delle piante (Additionalfile 5). Simile a EMF1, i geni VRN dell’Arabidopsis possono mediare la vernalizzazione e giocare un ruolo importante nella transizione dalla fase vegetativa a quella riproduttiva in risposta al trattamento prolungato con il freddo. VRN1 localizza nel nucleo ed è sequenza-nonspecifica nel legame al DNA, targeting a FLC, e FT2 . I mutanti loss-of-function mostrano fenotipi simili ad altri mutanti PRC1.

VRN1 e i suoi omologhi sono sottogruppati in due cladi, AtVRN1a/RTV1 e AtVRN1b/1c/1d. Il dominio B3 è probabilmente un dominio speciale della famiglia VRN1 (71, Fig. 6). AtVRN1, che è chiamato AtVRN1a in questo studio, è caratterizzato da due domini B3, si trova solo in specie di piante superiori e si lega specificamente al DNA. Nello studio attuale, cinque omologhi VRN1 sono stati identificati in Arabidopsis, e più omologhi sono stati trovati anche in altre dicotiledoni da BlastP. L’organizzazione del dominio ha mostrato che AtVRN1a e i suoi omologhi sono costituiti da due domini B3 (Fig. 6). AtRTV1, AtVRN1b/1c/1d e i loro omologhi principalmente nel gruppo-II mostrano una perdita del secondo dominio B3, che può essere importante per le sue funzioni. Questo dominio è sostituito dalla super famiglia BfiI_C_EcoRII_N_B3, che contiene un dominio legante il DNA N-terminale delle proteine simili a EcoRII con endonucleasi ristretta di tipo IIE, un dominio legante il DNA C-terminale delle proteine simili a BfiI con endonucleasi ristretta di tipo IIS, e proteine B3 specifiche delle piante.

fattore associato aPRC1: VAL1/2/3

Le proteine VAL, che sono identificate come un repressore trascrizionale, sono richieste per la repressione globale dell’espressione dei geni embrionali. Le piantine del doppio mutante va l1 val2 possono formare proliferazioni embrionali nelle radici e nel meristema apicale, ma non nelle foglie. I mutanti val2/val3 mostrano simili effetti dominanti nelle piante mutanti omozigoti val1 . Nei mutanti val1, il 39% dei trascritti del regolatore FUSCA3 sono depressi, mentre i fattori di trascrizione della rete LAFL non lo sono. Tutti i trascritti putativi mirati di VAL1 agiscono attraverso la repressione epigenetica e/o trascrizionale. Inoltre, VAL1 e VAL2 sono coinvolti nella vernalizzazione attraverso PcG. Le proteine VAL lavorano insieme a BMI1 per mediare la monoubiquitylation di H2AK119, e avviare la repressione dei geni di maturazione dei semi. Le proteine VAL mediano la repressione attraverso il reclutamento di un complesso di istone deacetilasi ai geni LEC1/AFL. VAL1 reprime la trascrizione FLC promuovendo la deacetilazione dell’istone. VAL1 downregulates AGL15 da deposizione H3K27me3 alle sequenze a monte di AGL15 .

Fatta eccezione per B3 e zf-CW domini, che sono possibili domini speciali per la famiglia VAL1/2/3, la maggior parte VAL1/2/3 omologhi portare ulteriori motivi Zinc finger, come PHD e ZnF-GATA, al 3′-terminale (Fig. 7). Il dominio VAL1-B3 è necessario per interagire con l’elemento canonico Sph/RY in AGL15 e FLC. Il dominio zf-CW è un membro dei moduli lettori di modifica degli istoni per la regolazione epigenetica. Nello studio attuale, la famiglia VRN1 si trova solo in dicotiledoni (Fig. 6) e i suoi omologhi contengono uno o due domini B3. Al contrario, le proteine VAL1/2/3 si trovano dalle alghe alle angiosperme, e solo un dominio B3. Inoltre, le proteine VAL1/2/3 possono essere raggruppate in tre gruppi (Fig. 7). Gruppo-I-contenente VAL1 omologhi si trovano solo in dicotiledoni; Gruppo-II-contenente VAL2 omologhi e Gruppo-III-contenente VAL3 omologhi si trovano in entrambi dicotiledoni e monocotiledoni. Come indicato dai nostri risultati Alga e felce mostrano solo una proteina omologa VAL, mentre il muschio dimostra cinque membri, e O. lucimarinus non ne mostra nessuno.

fattore associato aPRC1: AL1-7

Le proteine AL, che portano un dominio PHD conservato, sono state identificate come un fattore di trascrizione . Le proteine Alfin dell’Arabidopsis sono considerate come lettori di H3K4me2/3 e funzionano come nuovi partner di AtRING1 e AtBMI1. La proteina AL è coinvolta in molti processi di sviluppo, come la valorizzazione dell’espressione MsPRP2 nelle radici di alfalfa e contribuisce alla tolleranza al sale. In Arabidopsis, sia AL1 che AL5 possono legarsi alle regioni promotrici dei geni target e sopprimere molteplici fattori negativi per conferire la tolleranza allo stress abiotico. Arabidopsis AL6 è implicato nella regolazione dell’espressione dei trascritti legati all’allungamento dei peli delle radici in caso di fame di fosfato; inoltre, questo processo è dovuto al suo dominio PHD che può legarsi a H3K4me3, che è una strategia di regolazione epigenetica per la bassa disponibilità di fosfato. Tuttavia, AtAL7 svolge un ruolo negativo nella tolleranza al sale. Nello studio attuale, le famiglie AL e ING condividono il dominio PHD, e l’albero filogenetico mostra che appartengono a rami diversi, suggerendo la loro stretta relazione (file aggiuntivo 6). La famiglia ALs è la più grande famiglia di fattori associati a PRC1. L’Arabidopsis comprende sette ALs che possono essere divisi in tre gruppi, AtAL1/2, AtAL3/4/5 e AtAL6/7 . Nello studio attuale, le proteine AL delle piante da seme possono essere divise in tre gruppi, vale a dire, Gruppo-I (AL1/2), Gruppo-II (AL3/4/5), e Gruppo-III (AL6/7). Le proteine AL delle piante da spora si trovano in fondo all’albero filogenetico (Fig. 7). Mais e cotone comprendono più membri della proteina AL rispetto alle altre specie.

A parte FvAL5, che comprende 687aa con tre domini Alfin e un dominio PHD, la maggior parte delle piante sono estremamente conservati in organizzazioni di dominio, cioè un dominio Alfin e PHD, ed esibiscono una lunghezza di sequenza di circa 230-300aa. (Fig. 7, file aggiuntivo 1). Un dominio Alfin e PHD, il dominio speciale della famiglia AL, sono distribuiti sul termine N o C delle proteine. Il motivo PAL, situato nel dominio Alfin, delle proteine AL2 e AL7 può legarsi a RING1 e BMI1 . Le proteine PHD-finger si trovano universalmente negli eucarioti e agiscono come attori chiave nella regolazione della trascrizione e della struttura della cromatina. PHD finger è richiesto per il legame con H3K4me3/2 nelle famiglie AL e ING .

fattore associato aPRC1: ING1/2

Le proteine AL esistono solo nelle piante mentre le proteine ING sono ampiamente distribuite in lieviti, animali e piante. ING è stato identificato per la prima volta nei mammiferi, e tutte e cinque le proteine ING possono legarsi a H3K4me3/2 attraverso le dita PHD e agire come componenti delle modifiche degli istoni. Tuttavia, queste proteine sono state studiate raramente nelle piante. Simile alle proteine AL, le proteine AtING conservate possono riconoscere H3K4me3/2 mediate dalle dita PHD, mentre le funzioni biologiche di AtING sono sconosciute.

La maggior parte delle piante contiene due geni ING (Fig. 8). Le proteine ING portano un dominio ING N-terminale che si lega alle code H3 non modificate, e un dominio PHD C-terminale che è necessario per legare H3K4me2/3 . In contrasto con i lavori precedenti, abbiamo identificato VcING1/2, OlING1 e CrING1/2 omologhi nelle alghe verdi. Le dita PHD in VcING2 e CrING2 sono sostituite dai domini Tudor, che sono anche implicati nelle interazioni proteina-proteina. Il dominio Tudor può legarsi alle arginine simmetricamente dimetilate delle sequenze ricche di arginina-glicina e all’istone H4 dimetilato a Lys20 .

fattore associato aPRC1: EBS/SHL

EBS e SHL sono proteine contenenti domini BAH, che si trovano solo nel regno vegetale e ampiamente distribuite dalle piante inferiori a quelle superiori (Fig. 1, ). Arabidopsis proteine EBS sono regolatori trascrizionali negativi, e mutazioni ebs risultato in fenotipi di fioritura precoce. EBS e SHL si legano a diversi integratori floreali, EBS regolando FT e SHL reprimendo SOC1. EBS e SHL agiscono in modo ridondante nella regolazione della dormienza dei semi. EBS/SHL sono lettori di H3K27me3 che possono anche legare H3K4me3 .

Proteine EBS/SHL, sottogruppate in due cladi (omologhi EBS di gruppo-I e omologhi SHL di gruppo-II). Il gruppo-I esiste nelle piante superiori, ma il gruppo-II solo nelle angiosperme. Tre omologhi EBS, PpEBSe/d/f dal muschio e gli omologhi EBS/SHL dalle alghe sono alla base dell’albero filogenetico. La maggior parte delle specie comprende una singola copia SHL, ma più copie EBS, come riportato in pioppo, cotone e muschio (Figg. 1 e 9). Le proteine EBS/SHL sono altamente conservate in lunghezza, che varia da 199 a 336 aa (la maggior parte sono circa 220 aa), e nell’organizzazione del dominio, un dominio BAH N-terminale e un dominio PHD C-terminale (Fig. 9). Il dito PHD è legato a H3K4me2/me3, e il dominio BAH legge il marchio H3K27me2/me3. In generale, H3K4me3 è correlato all’attivazione trascrizionale, mentre H3K27me3 è correlato al silenziamento genico nelle piante e negli animali. EBS possiede un dominio BAH e un dominio PHD che legge e influenza i segni H3K27me2/me3 e H3K4me/me3, rispettivamente. Inoltre, il dominio BAH, non il dito PHD, media l’interazione di SHL o EBS con EMF1. Le interazioni BAH-H3K27me3 e PHD-H3K4me3 sono importanti per la repressione floreale mediata da SHL. EBS/SHL bilancia gli stati attivi e repressivi della cromatina.