Evoluția și conservarea componentelor de bază ale complexului de reprimare policombină 1 și a factorilor asociați putativi în linia verde

Componenta de bază RCP1: RING1

PRC1 Proteinele RING finger sunt compuse din cele două clade (fișier suplimentar 2), RING1 și BMI1, ambele fiind caracterizate de o combinație conservată de domenii RING și Ring-finger And WD40 associated Ubiquitin-Like (RAWUL) (Fig. 2 și 3). Activitatea de ubiquitin ligază a scriitorilor complexului PRC1 se bazează pe domeniul lor RING . La animale, RING1b este un scriitor H2Aub cheie, în timp ce RING1a joacă roluri minore. BMI1 nu prezintă nicio activitate de ligază E3, dar poate stabiliza și spori funcțiile RING1b . În Arabidopsis, ambele familii AtRING1a/b și AtBMI1a/b/c pot cataliza H2Aub. În stadiul vegetativ, AtRING1a/1b poate reprima tranziția de la vegetativ la embrionar și formarea ectopică a meristemului, în principal prin suprimarea expresiei greșite a regulatorilor principali ai embrionului și, respectiv, a regulatorilor celulelor stem . În stadiul de reproducere, dublul mutant Arabidopsis dublu ring1a;ring1b prezintă un număr extrem de mare de organe florale și fenotipuri puternice care prezintă o umflare dramatică a gineciului și o sterilitate completă. Atât AtRING1a, cât și AtRING1b pot controla menținerea celulelor stem florale și dezvoltarea corespunzătoare a carpelelor prin reprimarea expresiei KNOX-I . Mutația RING1a/b poate provoca tranziția timpurie a fazei vegetative prin reglarea stării H2Aub la nivelul locusului SPL .

Într-un arbore filogenetic, proteinele RING1 din plante pot fi împărțite în trei ramuri: plante de semințe (Grupul-I), mușchi-ferigă (Grupul-II) și alge (Grupul-III, Fig. 2). Relația filogenetică a omologilor RING1 este în concordanță cu evoluția plantelor. RING1 a suferit una și două duplicări în strămoșii eudicot și, respectiv, monocotiledonate . Majoritatea proteinelor RING1 prezintă două copii în fiecare specie, dar PtRING1 și ZmRING1 apar în patru copii, iar BrRING1 prezentă în trei copii. Cu toate acestea, evenimentul de duplicare poate avea loc după separarea monocotiledonatelor și dicotiledonatelor. Proteinele RING1 din eudăcinoase prezintă o organizare similară a domeniilor (Fig. 2). Proteinele RING1 din monocotiledonate sunt reprezentate doar de Poaceae, prezentând puține organizații de domenii variabile. Domeniul tipic RING, POU, care este un domeniu bipartit de legare a ADN-ului, și Ras Exchanger Motif se regăsesc, de asemenea, în ZmRING1a, în proteina Agrobacterium VirD5, iar domeniile de repetări Spectrin se afișează în BdRING1b. Domeniul Prion apare în OsRING1b. În mod curios, domeniul POU a fost identificat pentru prima dată în plante. Grupul-II există în ferigă și Physcomitrella patens, în timp ce grupul-III este prezent în două alge. Cu toate acestea, ambele grupuri sunt bine conservate în ceea ce privește organizarea domeniilor.

Componenta de bază a PRC1: BMI1

Cele trei proteine asemănătoare cu BMI1, AtBMI1a, AtBMI1b și AtBMI1c există în Arabidopsis . Deficitul de BMI1 (mutant dublu atbmi1a;atbmi1b) determină o structură de tip embrionar în stadiul vegetativ și un număr mare de organe florale în stadiul reproductiv, o caracteristică întâlnită în mod similar la mutantul dublu ring1a;ring1b . Similar cu proteinele RING1, BMI1a/1b funcționează ca scriitori PRC1 pentru H2Aub, coordonându-se cu H3K27me3 mediată de PRC2 pentru a menține identitatea celulară . AtBMI1a/1b funcționează ca o ubiquitin ligază E3 și este implicată în răspunsul la secetă . MIR156A și MIR156C sunt, de asemenea, gene țintă ale AtBMI1, reglând tranziția de la dezvoltarea vegetală la cea productivă . În special, AtBMI1c acționează ca o genă imprimată care exprimă alela maternă în endosperm, dar bialelic în stamine . Proteinele BMI1 pot fi identificate în toate plantele și în alga Volvox carteri, dar nu și în algele Ostreococcus lucimarinus sau Chlamydomonas reinhardtii; în plus, BMI1 sunt împărțite în două grupuri, și anume omologii BMI1a/1b și BMI1c (Fig. 3). Toate BMI1 conțin domenii RING și RAWUL foarte conservate, cu excepția BsBMI1a, PtBMI1d și OrBMI1b, OrBMI1b nu are domeniul RAWUL. Lungimea secvenței de BMI1s se situează de obicei între 350 și 550 aa, dar FvBMI1c cuprinde 974 aa reziduuri cu o extremitate C prea lungă. Dicotiledonatele conțin trei copii ale BMI1, cu excepția plopului și bumbacului, cinci copii, și a portocalului, două copii. Toate proteinele BMI1a/1b prezintă o organizare similară a domeniilor, dar ThBMI1b adăpostește un alt motiv de legare a TIM-fosfatului adiacent domeniului RING; în plus, BdBMI1d deține un motiv de balama flexibil al proteinelor de menținere structurală a cromozomilor (SMC), care este responsabil pentru dimerizarea ADN-ului și ca un determinant esențial al interacțiunilor dinamice SMC-ADN . AtBMI1c extrem de conservat și omologii săi se găsesc numai în Crucifera (Fig. 3).

Dominația RAWUL a fost identificată pentru prima dată în proteinele RING finger PRC1, în familiile RING1 și BMI1 și este conservată în plante și viermi . Domeniul RAWUL poate fi implicat în reglarea epigenetică prin legarea la PRC1 sau la alți factori. La mamifere, s-a demonstrat că RAWUL se leagă de omologii Ph, deși acest fenomen nu a fost confirmat până în prezent. Astfel, este posibil ca domeniul RAWUL să se lege de alte proteine implicate în ubiquitinarea histonelor. Sanchez-Pulido et al. au sugerat că unele alte proteine demonstrează funcțiile de ubiquitinare a histonelor PRC1 . Arabidopsis HTA10 prezintă secvența consensuală PKKT conservată . H2A ubiquitinată din porumb poate fi implicată în ubiquitinarea H2A . Proteina RAWUL Gnp4/LAX2 reglează lungimea boabelor prin intermediul căii de semnalizare a auxinei prin interferența cu OsIAA3-OsARF25 . Domeniul RAWUL poate forma un modul de interacțiune proteină-proteină cu domeniul PAL al AL6 N-terminal, care este un factor asociat al PRC1 .

Domeniul RAWUL nu este foarte conservat între animale și plante. Cu toate acestea, o analiză de aliniere a secvențelor omologilor RING1a/1b arată că domeniile sunt considerabil conservate de la plantele inferioare la cele superioare, iar BMI1a/1b/1c nu are β5. Proteinele RING (BrRING1b, ZmRING1b și SmRING) și proteinele BMI1 (AtBMI1c, BsBMI1a, OrBMI1b și VcBMI) nu conțin domenii RAWUL (figurile 2 și 3, fișierul suplimentar 3). Este posibil ca domeniul RING și RAWUL să fie domenii speciale pentru familiile RING1 și BMI1.

PRC1 Componentă de bază: LHP1

În Arabidopsis, LHP1, un activator și un represor al transcripției, este identificat pentru prima dată ca un omolog al proteinei 1 (HP1) asociat cu heterocromatina din Drodophila care se leagă de markerii H3K27m3 stabiliți de PRC2 și catalizează monobiquitinarea la lizina 119 a histonei H2A . LHP1 poate avea un rol analog cu cel al muștelor Pc într-un complex asemănător cu PRC1 . LHP1 conține două domenii tipice, domeniul Chromatin Organization Modifier (CHROMO), care este esențial pentru specificitatea de legare a H3K27me3 , și domeniul Chromo Shadow (ChSh) . Spre deosebire de omologul său animal, LHP1 este localizat predominant în cadrul eucromatinei . Localizarea și retenția Fern LHP1 sunt controlate de domenii distincte, iar retenția sa la nucleolus și la cromocentrii este conferită de domeniul ChSh . PpLHP1 din P. patens PpLHP1 interacționează cu PpCMT prin intermediul domeniilor lor cromo . În calitate de cititor PRC1 la plante , LHP1 controlează mai multe căi de dezvoltare legate de dezvoltarea organelor, dimensiunea celulelor și tranzițiile de la faza vegetativă la cea reproductivă .

Homologii LHP1 sunt, de asemenea, supuși evoluției plantelor. În afară de domeniile CHROMO și ChSh distincte, unele LHP conțin alte motive distincte (Fig. 4). De exemplu, LHP1 din plop au un domeniu CDC37 suplimentar în extremitatea N-terminală, iar AtLHP1 cuprind un domeniu B5 suplimentar care se găsește în subunitățile β de fenilalanină ARNt sintetază. OsLHP1 constă într-un alt domeniu al Factorilor de eliberare a lanțurilor peptidice legat de familia de proteine; în plus, acest domeniu joacă un rol important în lanțurile polipeptidice nou-sintetizate eliberate din peptidil-ARNt . BdLHP1 conține o altă proteină de membrană ER SH3, care este asociată cu chaperonii localizați în membrană. PpLHP1 cuprinde un domeniu ostepontin suplimentar.

Factorul asociat RCP1: EMF1

EMF1 și VRN1 se găsesc în mod specific la speciile de dicotiledonate . Atât EMF1 cât și VRN1 sunt proteine de legare la ADN nespecifice secvenței care reglează expresia genelor în timpul dezvoltării organelor florale. Aubert et al. au considerat că EMF1 este o nouă proteină implicată în controlul arhitecturii lăstarilor și al înfloritului la Arabidopsis; în plus, mutanții cu pierderea funcției EMF1 determină o tranziție accelerată de la dezvoltarea embrionară la cea reproductivă . EMF1 și EMF2 participă la reducerea la tăcere mediată de PcG a genelor homeotice ale florilor și sunt esențiale pentru dezvoltarea vegetativă . EMF1, ATX1 și ULT1 pot lucra împreună pentru a menține integritatea cromatinei și pentru a preveni exprimarea precoce a genelor din semințe după germinare . EMF1 este asociat cu un cititor H3K27me3 care este necesar pentru H3K27me3 . EMF1, LHP1 și histona H3 lizina-4 demetilază pot forma un complex EMF1c pentru a juca roluri importante în reglarea MIR172 și a Locusului de înflorire T (FT) .

Care specie adăpostește o singură genă omologă EMF1, cu excepția castravetelui, bumbacului și Eutrema cu două, și a verzei cu patru. Analiza filogenetică arată că EMF1 sunt bine conservate în dicotiledonate, dar este posibil să nu aibă domenii reprezentative sau intacte în baza de date Pfam și SMART. Alinierea secvenței de proteine sugerează că șase motive conservate, în special motivele 4, 5 și 6 (Fig. 5, Fișier suplimentar 4), ale căror funcții sunt necunoscute.

Factor asociat RCP1: VRN1

VRN1 și VAL1/2/3 sunt componente specifice plantelor ale PRC1 și sunt subclase ale familiei de factori de transcripție cu domeniu B3 specific plantelor (Additionalfile 5). Similar cu EMF1, genele VRN din Arabidopsis pot media vernalizarea și joacă un rol major în tranziția de la faza vegetativă la cea reproductivă ca răspuns la un tratament prelungit la rece. VRN1 se localizează în nucleu și este o secvență nespecifică în ceea ce privește legarea la ADN, direcționarea la FLC și FT2 . Mutanții cu pierdere de funcție prezintă fenotipuri similare cu alți mutanți PRC1 .

VRN1 și omologii săi sunt subgrupate în două clade, AtVRN1a/RTV1 și AtVRN1b/1c/1d. Domeniul B3 este posibil să fie un domeniu special al familiei VRN1 (71, Fig. 6). AtVRN1, care este numit AtVRN1a în acest studiu, este caracterizat cu două domenii B3, se găsește numai în speciile de plante superioare și se leagă în mod specific de ADN . În studiul actual, cinci omologi VRN1 sunt identificați în Arabidopsis, iar mai mulți omologi sunt, de asemenea, găsiți în alte dicotiledonate prin BlastP. Organizarea domeniului a arătat că AtVRN1a și omologii săi constau din două domenii B3 (Fig. 6). AtRTV1, AtVRN1b/1c/1d și omologii lor, în principal în grupul II, prezintă o pierdere a celui de-al doilea domeniu B3, care poate fi important pentru funcțiile sale. Acest domeniu este înlocuit de superfamilia BfiI_C_EcoRII_N_B3, care conține un domeniu N-terminal de legare la ADN al proteinelor de tip IIE de endonuclează restrânsă de tip EcoRII, un domeniu C-terminal de legare la ADN al proteinelor de tip IIS de endonuclează restrânsă de tip BfiI și proteine B3 specifice plantelor .

Factorul asociat RCP1: VAL1/2/3

Proteinele VAL, care sunt identificate ca fiind un represor transcripțional, sunt necesare pentru reprimarea globală a expresiei genelor embrionare . Răsadurile mutantului dublu va l1 val2 pot forma proliferări de tip embrionar în rădăcini și meristeme apicale, dar nu și în frunze. Mutanții val2/val3 prezintă efecte dominante similare la plantele mutante homozigote val1 . La mutanții val1, 39% din transcrierile din regulatorul FUSCA3 sunt deprimate, în timp ce factorii de transcripție din rețeaua de bază LAFL nu sunt. Toate transcripțiile țintă putative ale VAL1 acționează prin represiune epigenetică și/sau transcripțională . În plus, VAL1 și VAL2 sunt implicate în vernalizarea prin intermediul PcG. Proteinele VAL lucrează împreună cu BMI1 pentru a media monoubiquitylation a H2AK119 și pentru a iniția reprimarea genelor de maturare a semințelor . Proteinele VAL mediază represiunea prin recrutarea unui complex de deacetilază histonică la genele LEC1/AFL . VAL1 reprimă transcrierea FLC prin promovarea deacetilării histonelor . VAL1 downreglează AGL15 prin depunerea de H3K27me3 la secvențele din amonte ale AGL15 .

Exceptând domeniile B3 și zf-CW, care sunt posibile domenii speciale pentru familia VAL1/2/3, majoritatea omologilor VAL1/2/3 poartă motive suplimentare de deget de zinc, cum ar fi PHD și ZnF-GATA, la 3′-terminal (Fig. 7). Domeniul VAL1-B3 este necesar pentru a interacționa cu elementul Sph/RY canonic din cadrul AGL15 și FLC . Domeniul zf-CW este un membru al modulelor de citire a modificărilor histonice pentru reglarea epigenetică . În studiul actual, familia VRN1 se găsește doar în dicotiledonate (Fig. 6), iar omologii săi conțin unul sau două domenii B3. În schimb, proteinele VAL1/2/3 se găsesc de la alge până la angiosperme, și doar un singur domeniu B3. Mai mult, proteinele VAL1/2/3 pot fi grupate în trei grupe (Fig. 7). Omologii VAL1 care conțin Grupul-I se găsesc numai în dicotiledonate; omologii VAL2 care conțin Grupul-II și omologii VAL3 care conțin Grupul-III se găsesc atât în dicotiledonate, cât și în monocotiledonate. După cum indică rezultatele noastre, Alga și feriga prezintă doar o singură proteină omologă VAL, în timp ce mușchiul demonstrează cinci membri, iar O. lucimarinus nu prezintă niciunul.

Factorul asociat RCP1: AL1-7

Proteinele AL, care poartă un domeniu PHD conservat, au fost identificate ca factor de transcripție . Proteinele Alfin din Arabidopsis sunt considerate cititori H3K4me2/3 și funcționează ca parteneri noi ai AtRING1 și AtBMI1 . Proteina AL este implicată în multe procese de dezvoltare, cum ar fi creșterea expresiei MsPRP2 în rădăcinile lucernei și contribuie la toleranța la sare . În Arabidopsis, atât AL1, cât și AL5 se pot lega de regiunile promotoare ale genelor țintă și pot suprima mai mulți factori negativi pentru a conferi toleranță la stresul abiotic . Arabidopsis AL6 este implicat în reglarea expresiei transcriptelor legate de alungirea părului rădăcinii în caz de foamete de fosfat; în plus, acest proces se datorează domeniului său PHD care se poate lega de H3K4me3, care este o strategie de reglementare epigenetică pentru disponibilitatea scăzută a fosfatului . Cu toate acestea, AtAL7 joacă un rol negativ în toleranța la sare . În studiul actual, familiile AL și ING au în comun domeniul PHD, iar arborele filogenetic arată că acestea aparțin unor ramuri diferite, sugerând relația lor strânsă (fișier suplimentar 6). Familia ALs este cea mai mare familie de factori asociați cu PRC1. Arabidopsis cuprinde șapte AL care pot fi împărțite în trei grupuri, AtAL1/2, AtAL3/4/5 și AtAL6/7 . În studiul actual, proteinele AL din plantele cu semințe pot fi împărțite în trei grupe, și anume, Grupul-I (AL1/2), Grupul-II (AL3/4/5) și Grupul-III (AL6/7). Proteinele AL ale plantelor cu spori sunt situate în partea de jos a arborelui filogenetic (Fig. 7). Porumbul și bumbacul cuprind mai mulți membri ai proteinei AL decât alte specii.

În afară de FvAL5, care cuprinde 687aa cu trei domenii Alfin și un domeniu PHD, majoritatea plantelor sunt extrem de conservate în organizațiile de domenii, adică un domeniu Alfin și PHD, și prezintă o lungime de secvență de aproximativ 230-300aa. (Fig. 7, fișier suplimentar 1). Un domeniu Alfin și PHD, domeniul special pentru familia AL, sunt distribuite pe terminalul N- sau C- al proteinelor. Motivul PAL, situat în domeniul Alfin, al proteinelor AL2 și AL7 se poate lega de RING1 și BMI1 . Proteinele PHD-finger se găsesc în mod universal la eucariote și acționează ca actori-cheie în reglarea transcripției și a structurii cromatinei . PHD finger este necesar pentru legarea H3K4me3/2 în familiile AL și ING .

Factor asociat RCP1: ING1/2

Proteinele AL există numai în plante, în timp ce proteinele ING sunt larg răspândite în drojdii, animale și plante. ING a fost identificată pentru prima dată la mamifere, iar toate cele cinci proteine ING se pot lega de H3K4me3/2 prin intermediul degetelor PHD și acționează ca componente ale modificărilor histonice . Cu toate acestea, aceste proteine au fost rareori studiate în plante. Similar cu proteinele AL, proteinele conservate AtING pot recunoaște H3K4me3/2 prin intermediul degetelor PHD, în timp ce funcțiile biologice ale AtING sunt necunoscute .

Majoritatea plantelor conțin două gene ING (Fig. 8). Proteinele ING poartă un domeniu ING N-terminal care se leagă de cozile H3 nemodificate și un domeniu PHD C-terminal care este necesar pentru legarea H3K4me2/3 . Spre deosebire de lucrările anterioare, am identificat omologii VcING1/2, OlING1 și CrING1/2 în algele verzi. Degetele PHD din VcING2 și CrING2 sunt înlocuite de domeniile Tudor, care sunt, de asemenea, implicate în interacțiunile proteină-proteină. Domeniul Tudor se poate lega de argininele simetric dimetilate ale secvențelor bogate în arginină-glicină și de histona H4 dimetilată la Lys20 .

Factorul asociat RCP1: EBS/SHL

EBS și SHL sunt proteine care conțin domeniul BAH , care se găsesc numai în regnul vegetal și sunt larg răspândite de la plantele inferioare la cele superioare (Fig. 1, ). Proteinele EBS din Arabidopsis sunt regulatori transcripționali negativi, iar mutațiile ebs au ca rezultat fenotipuri de înflorire timpurie . EBS și SHL se leagă de integratori florali diferiți, EBS reglând FT și SHL reprimând SOC1 . EBS și SHL acționează în mod redundant în reglarea dormanței semințelor. EBS/SHL sunt cititori de H3K27me3 care pot lega, de asemenea, H3K4me3 .

Proteinele EBS/SHL, subgrupate în două clade (omologii EBS din grupul-I și omologii SHL din grupul-II). Grupul-I există în plantele superioare, dar grupul-II doar în angiosperme. Trei omologi EBS, PpEBSe/d/f din mușchi și omologii EBS/SHL din alge se află în partea de jos a arborelui filogenetic. Majoritatea speciilor cuprind o singură copie SHL, dar mai multe copii EBS, așa cum s-a raportat la plop, bumbac și mușchi (figurile 1 și 9). Proteinele EBS/SHL sunt foarte conservate în ceea ce privește lungimea, care variază între 199 și 336 aa (cele mai multe au în jur de 220 aa), și în ceea ce privește organizarea domeniilor, un domeniu BAH N-terminal și un domeniu PHD C-terminal (Fig. 9). Degetul PHD este legat de H3K4me2/me3, iar domeniul BAH citește marcajul H3K27me2/me3. În general, H3K4me3 este corelat cu activarea transcripțională, în timp ce H3K27me3 este corelat cu reducerea la tăcere a genelor la plante și animale. EBS posedă un domeniu BAH și un domeniu PHD care citește și afectează marcajele H3K27me2/me3 și, respectiv, H3K4me/me3. Mai mult, domeniul BAH, și nu degetul PHD, mediază interacțiunea SHL sau EBS cu EMF1 . Interacțiunile BAH-H3K27me3 și PHD-H3K4me3 sunt importante pentru reprimarea florală mediată de SHL . EBS/SHL echilibrează stările active și represive ale cromatinei.

.