Evolution and conservation of polycomb repressive complex 1 core components and putative associated factors in green lineage

PRC1 core component.ポリコム抑制因子（PRC1）コアコンポーネントと推定関連因子の保存と進化。 RING1

PRC1 RINGフィンガータンパク質は、RING1とBMI1という2つのクレード（追加ファイル2）からなり、どちらもRINGとRing-finger And WD40 associated Ubiquitin-Like (RAWUL) domainの組み合わせが保存されているという特徴がある（図2および図3参照）。 PRC1複合体の作家のユビキチンリガーゼ活性は、そのRINGドメインに依存する。 動物では、RING1bが重要なH2Aubライターであり、RING1aは重要な役割を担っていない。 BMI1はE3リガーゼ活性を持たないが、RING1bの機能を安定化させ、強化することができる。 シロイヌナズナでは、AtRING1a/bとAtBMI1a/b/cファミリーの両方がH2Aubを触媒することができる。 植生期には、AtRING1a/1bは、主に胚のマスターレギュレーターと幹細胞レギュレーターの誤発現を抑制することによって、植生から胚への移行と異所性分裂組織の形成を抑制することができる ………それぞれ。 シロイヌナズナ二重変異体ring1a;ring1bは、生殖期において、花器数が非常に多く、雌雄異株の劇的な膨張と完全不稔を示す強い表現型を示す。 AtRING1aとAtRING1bは、KNOX-Iの発現を抑制することによって、花幹細胞の維持と適切なカーペルの発達を制御することができる。 RING1a/b変異はSPL遺伝子座のH2Aub状態を制御することで早期の植物相転移を引き起こすことができる .

系統樹では、植物のRING1タンパク質は、種子植物（グループI）、苔類（グループII）、藻類（グループIII、図2）に分けることができる。 RING1ホモログの系統関係は、植物の進化と一致している。 RING1は、真正細菌の祖先と単子葉植物の祖先で、それぞれ1回と2回の重複を経験している。 ほとんどのRING1タンパク質は、それぞれの種で2つのコピーを示すが、PtRING1とZmRING1は4つのコピー、BrRING1は3つのコピーで存在する。 しかし、単子葉植物と双子葉植物が分離した後に重複が起こった可能性がある。 双子葉植物のRING1タンパク質は、類似したドメイン構成をとっている（図2）。 単子葉植物のRING1タンパク質はイネ科にのみ存在し、可変的なドメイン組織はほとんど見られず、単子葉植物のRING1タンパク質は、イネ科にのみ存在する。 典型的なRINGドメイン、2つのDNA結合ドメインであるPOU、Ras Exchanger MotifはZmRING1a、Agrobacterium VirD5タンパク質にも見られ、Spectrin repeatsドメインはBdRING1bに見られる。 OsRING1bにはPrionドメインが存在する。 POUドメインは植物で初めて同定された。 Group-IIはシダ植物とPhyscomitrella patensに存在し、Group-IIIは2つの藻類に存在する。 しかし、これら両グループはドメイン組織においてよく保存されている。

PRC1 core component: BMI1

シロイヌナズナには3つのBMI1様タンパク質、AtBMI1a、AtBMI1b、およびAtBMI1cが存在する. BMI1の欠損（atbmi1a;atbmi1b二重変異体）では、植生期には胚のような構造、生殖期には花器が多くなる、これはring1a;ring1b二重変異体でも同様に見られる特徴である . RING1タンパク質と同様に、BMI1a/1bはH2AubのPRC1ライターとして機能し、PRC2を介したH3K27me3と協調して、細胞の同一性を維持する . AtBMI1a/1bはE3ユビキチンリガーゼとして機能し、乾燥反応に関与している。 MIR156AとMIR156CもAtBMI1の標的遺伝子であり、植物から生産的な発生への移行を制御している。 特にAtBMI1cは、胚乳では母方対立遺伝子を発現し、雄しべではバイアリルで発現するインプリント遺伝子として機能している。 BMI1タンパク質は、すべての植物と藻類のVolvox carteriで同定されるが、藻類のOstreococcus lucimarinusとChlamydomonas reinhardtiiでは確認されていない。さらにBMI1は、BMI1a/1bとBMI1cホモログに分類される（図3）。 BMI1は、BsBMI1a、PtBMI1d、OrBMI1bを除き、すべてのBMI1が高度に保存されたRINGドメインとRAWULドメインを持ち、OrBMI1bはRAWULドメインを欠くことが分かっている。 BMI1sの配列長は通常350〜550aであるが、FvBMI1cは974aで、C末端が長くなっている。 双子葉植物では、BMI1は3コピー存在するが、ポプラと綿は5コピー、オレンジは2コピーである。 BMI1a/1bはすべて類似したドメイン構造を示すが、ThBMI1bはRINGドメインに隣接して別のTIM-リン酸結合モチーフを持つ。さらにBdBMI1dはStructural Maintenance of Chromosomes (SMC) proteins Flexible hinge motifを持ち、DNA二量体化とSMC-DNA動的相互作用に必須の決定因子であることが知られている。 AtBMI1cとそのホモログはCruciferaにしか存在しない（図3）。

RAWULドメインはPRC1 RING finger protein、RING1、BMI1ファミリーに最初に同定され、植物と虫に保存されている。 RAWULドメインはPRC1や他の因子と結合することでエピジェネティックな制御に関与している可能性がある。 哺乳類では、RAWULはPhのホモログに結合することが示されているが、この現象は今のところ確認されていない。 したがって、RAWULドメインは、ヒストンのユビキチン化に関与する他のタンパク質と結合する可能性がある。 Sanchez-Pulidoらは、PRC1のヒストンユビキチン化機能を示す他のタンパク質があることを示唆した。 シロイヌナズナのHTA10は、保存されたPKKTコンセンサス配列を持っています。 トウモロコシのユビキチン化されたH2Aは、H2Aのユビキチン化に関与している可能性がある . 穀物RAWULタンパク質Gnp4/LAX2は、OsIAA3-OsARF25を妨害することにより、オーキシンシグナル伝達経路を介して穀物の長さを制御している. RAWULドメインはPRC1の関連因子であるAL6 N-末端のPALドメインとタンパク質相互作用モジュールを形成することができる .

RAWULドメインは動物と植物の間で高度に保存されているわけではない。 しかし、RING1a/1bホモログの配列アラインメント解析により、ドメインは下等植物から高等植物までかなり保存されており、BMI1a/1b/1cはβ5を欠損していることがわかった。 RINGタンパク質（BrRING1b、ZmRING1b、SmRING）およびBMI1タンパク質（AtBMI1c、BsBMI1a、OrBMI1b、VcBMI）はRAWULドメインを含まない（図2、3、追加ファイル3）。 RINGドメインとRAWULドメインはRING1やBMI1ファミリーの特別なドメインである可能性がある

PRC1 Core component: LHP1

シロイヌナズナでは、LHP1は転写の活性化および抑制因子であり、PRC2によって作られたH3K27m3マーカーに結合してヒストンH2Aのリジン119でのモノユビキチン化を触媒するDrodophila Heterochromatin-associated Protein 1 (HP1) ホモログとして最初に同定された。 LHP1は、PRC1様複合体においてハエのPcと類似した役割を担っているのかもしれない。 LHP1 は、H3K27me3 結合特異性に不可欠な Chromatin Organization Modifier (CHROMO) ドメインと Chromo Shadow (ChSh) ドメインの2つの典型的なドメインを含んでいる。 LHP1 は動物とは異なり、主に euchromatin 内に存在する。 Fern LHP1 の局在と保持は異なるドメインによって制御されており、核小体や染色体中心での保持は ChSh ドメインによって与えられている。 P. patens の PpLHP1 は PpCMT とクロモドメインを介して相互作用している . LHP1は植物におけるPRC1リーダーとして、器官形成、細胞サイズ、生殖期から植物期への移行に関連する複数の発生経路を制御している。 LHPの中には，CHROMOやChShのような区別されたドメイン以外に，異なるモチーフを持つものがある（図4）。 例えば，ポプラのLHP1はN末端にCDC37ドメインを持ち，AtLHP1はフェニルアラニンtRNA合成酵素βサブユニットに見られるB5ドメインを追加で持っている。 OsLHP1 は、ペプチド鎖放出因子（Peptide Chain Release Factor）ドメインがもう一つ結合しており、このドメインはペプチジルtRNA から新たに合成されたポリペプチド鎖が放出される際に重要な役割を果たすとされている。 BdLHP1は、もう一つの小胞体膜タンパク質SH3を含んでおり、これは膜局在性シャペロンと関連している。 PpLHP1はさらにostepontinドメインを含んでいる。

PRC1 associated factor: EMF1

EMF1 とVRN1 は双子葉植物に特異的に存在する． EMF1とVRN1は共に非配列特異的なDNA結合タンパク質であり、花器発生時の遺伝子発現を制御している。 Aubertらは、EMF1をシロイヌナズナのシュート構築と開花の制御に関与する新規タンパク質とみなし、さらにEMF1欠損欠損変異体では胚発生から生殖発生への移行が加速されることを明らかにした。 EMF1とEMF2はPcGを介した花のホメオティック遺伝子のサイレンシングに関与し、植物体の発生に重要である。 EMF1、ATX1、ULT1は、クロマチンの完全性を維持し、発芽後の早すぎる種子遺伝子発現を防ぐために協働できる . EMF1は、H3K27me3に必要なH3K27me3リーダーと関連している . EMF1、LHP1、ヒストンH3リジン-4デメチラーゼはEMF1c複合体を形成し、MIR172とFT（Flowering Locus T）の制御において重要な役割を果たす。 系統解析の結果、EMF1は双子葉植物でよく保存されているが、PfamやSMARTデータベースでは代表的なドメインや無傷のドメインが欠けている可能性があることがわかった。 タンパク質配列のアラインメントから、6つの保存モチーフ、特にモチーフ4、5、6（図5、追加ファイル4）があり、その機能は不明であることがわかった。