Evolution och bevarande av polycomb repressive complex 1 core components och putativa associerade faktorer i den gröna släktet

PRC1 core component: RING1

PRC1 RING-fingerproteiner består av två klasser (Additional file 2), RING1 och BMI1, som båda kännetecknas av en bevarad kombination av RING- och RING-finger- och WD40-associerade ubikvitinliknande domäner (RAWUL) (fig. 2 och 3). Ubiquitinligasaktiviteten hos författarna till PRC1-komplexet är beroende av deras RING-domän . Hos djur är RING1b en viktig H2Aub-skrivare, medan RING1a spelar mindre viktiga roller. BMI1 uppvisar ingen E3-ligasaktivitet men kan stabilisera och förbättra RING1b-funktionerna . I Arabidopsis kan både familjerna AtRING1a/b och AtBMI1a/b/c katalysera H2Aub. I det vegetativa stadiet kan AtRING1a/1b undertrycka övergången från vegetativt till embryonalt stadium och ektopisk meristembildning, huvudsakligen genom att undertrycka feluttryck av embryonala huvudregulatorer respektive stamcellsregulatorer . I det reproduktiva stadiet uppvisar Arabidopsis dubbelmutant ring1a;ring1b ett överdrivet stort antal blomorgan och starka fenotyper med dramatisk svullnad av gynoecium och fullständig sterilitet. Både AtRING1a och AtRING1b kan kontrollera upprätthållandet av blommiga stamceller och korrekt utveckling av karpeller genom att undertrycka uttrycket av KNOX-I . RING1a/b-mutation kan orsaka tidig övergång till vegetativ fas genom att reglera H2Aub-statusen vid SPL-lokus .

I ett fylogenetiskt träd kan växternas RING1-proteiner delas in i tre grenar: fröväxter (grupp-I), moss- och ormbunkar (grupp-II) och alger (grupp-III, figur 2). Det fylogenetiska förhållandet mellan RING1-homologerna stämmer överens med växternas evolution. RING1 har genomgått en och två duplikationer i eudicot- respektive monocotförfäder . De flesta RING1-proteiner uppvisar två kopior i varje art, men PtRING1 och ZmRING1 förekommer i fyra kopior och BrRING1 förekommer i tre kopior. Duplikationshändelsen kan dock inträffa efter separationen av monokotyledoner och dikotyledoner. RING1-proteiner i eudikotterna uppvisar liknande domänorganisationer (fig. 2). RING1-proteiner i monokottar representeras endast av Poaceae, som uppvisar få variabla domänorganisationer. Den typiska RING-domänen, POU, som är en tvådelad DNA-bindningsdomän, och Ras Exchanger Motif finns också i ZmRING1a, Agrobacterium VirD5-protein, och Spectrin-repeats-domäner visas i BdRING1b. Priondomän förekommer i OsRING1b. Intressant nog identifierades POU-domänen först i växter. Grupp-II finns i ormbunkar och Physcomitrella patens, medan grupp-III finns i två alger. Båda dessa grupper är dock välkonserverade i domänorganisationer.

PRC1 kärnkomponent: BMI1

De tre BMI1-liknande proteinerna AtBMI1a, AtBMI1b och AtBMI1c finns i Arabidopsis . Brist på BMI1 (atbmi1a;atbmi1b dubbelmutant) orsakar en embryonalliknande struktur i det vegetativa stadiet och ett stort antal blomorgan i det reproduktiva stadiet, en egenskap som på samma sätt återfinns i ring1a;ring1b dubbelmutanten . I likhet med RING1-proteiner fungerar BMI1a/1b som PRC1-skribenter för H2Aub och samordnar med PRC2-medierad H3K27me3 för att upprätthålla cellidentitet . AtBMI1a/1b fungerar som en E3 ubiquitinligas och är involverad i torkrespons . MIR156A och MIR156C är också målgener för AtBMI1 och reglerar övergången från grönsak till produktiv utveckling . AtBMI1c fungerar särskilt som en präglad gen som uttrycker en moderlig allel i endospermen men bialleliskt i ståndaren . BMI1-proteiner kan identifieras i alla växter och i algen Volvox carteri, men inte i algerna Ostreococcus lucimarinus eller Chlamydomonas reinhardtii. BMI1-proteiner är dessutom uppdelade i två grupper, nämligen BMI1a/1b och BMI1c-homologer (fig. 3). Alla BMI1 innehåller högt konserverade RING- och RAWUL-domäner utom BsBMI1a, PtBMI1d och OrBMI1b, OrBMI1b saknar RAWUL-domän. Sekvenslängden hos BMI1s ligger vanligtvis mellan 350 och 550 aa, men FvBMI1c består av 974 aa-rester med en överlång C-terminus. Dicotyledon innehåller tre kopior av BMI1 med undantag för poppel och bomull fem kopior och apelsin två kopior. Alla BMI1a/1b-proteiner uppvisar liknande domänorganisationer, men ThBMI1b har ett annat TIM-fosfatbindande motiv intill RING-domänen; dessutom äger BdBMI1d ett flexibelt gångjärnsmotiv för Structural Maintenance of Chromosomes (SMC) proteiner Flexible hinge motif, som är ansvarigt för DNA-dimerisering och som en väsentlig bestämningsfaktor för dynamiska SMC-DNA-interaktioner . Den högt konserverade AtBMI1c och dess homologer finns endast hos Crucifera (fig. 3).

Rawul-domänen identifierades först i PRC1 RING-fingerproteinerna, RING1- och BMI1-familjerna, och är bevarad i växter och maskar . RAWUL-domänen kan vara involverad i epigenetisk reglering genom att binda till PRC1 eller andra faktorer. Hos däggdjur har RAWUL visat sig binda till Ph homologer även om detta fenomen hittills inte har bekräftats. RAWUL-domänen kan således binda till andra proteiner som är involverade i histonubikvitinering. Sanchez-Pulido et al. föreslog att vissa andra proteiner har PRC1-funktioner för histonubikvitinering. Arabidopsis HTA10 uppvisar den konserverade konsensussekvensen PKKT . Majs ubiquitinerat H2A kan vara involverat i H2A-ubikvitinering . Korns RAWUL-protein Gnp4/LAX2 reglerar kornlängden via auxinsignalvägen genom att störa OsIAA3-OsARF25 . RAWUL-domänen kan bilda en protein-proteininteraktionsmodul med PAL-domänen i AL6 N-terminus, som är en associerad faktor till PRC1 .

Rawul-domänen är inte mycket konserverad mellan djur och växter. En analys av sekvensanpassning av RING1a/1b homologer visar dock att domänerna är avsevärt konserverade från lägre till högre växter, och BMI1a/1b/1c saknar β5. RING-proteinerna (BrRING1b, ZmRING1b och SmRING) och BMI1-proteinerna (AtBMI1c, BsBMI1a, OrBMI1b och VcBMI) innehåller inga RAWUL-domäner (fig. 2 och 3, Additional file 3). RING- och RAWUL-domänen är möjligen särskilda domäner för RING1- och BMI1-familjerna.

PRC1 Kärnkomponent: LHP1

I Arabidopsis identifieras LHP1, en aktivator och en repressor av transkription, först som en homolog av Drodophila Heterochromatin-associated Protein 1 (HP1) som binder till H3K27m3-markörer som upprättats av PRC2 och katalyserar monobikvitinering vid lysin 119 av histon H2A . LHP1 kan ha en liknande roll som flugans Pc i ett PRC1-liknande komplex . LHP1 innehåller två typiska domäner, Chromatin Organization Modifier (CHROMO)-domänen som är nödvändig för H3K27me3-bindningsspecificitet och Chromo Shadow (ChSh)-domänen . Till skillnad från sin motsvarighet från djur är LHP1 huvudsakligen lokaliserad inom euchromatinet . Lokaliseringen och kvarhållandet av Fern LHP1 styrs av olika domäner, och dess kvarhållande vid nukleolus och kromocentrar ges av ChSh-domänen . P. patens PpLHP1 interagerar med PpCMT genom deras chromo-domäner . Som PRC1-läsare i växter kontrollerar LHP1 flera utvecklingsvägar relaterade till organutveckling, cellstorlek och övergångar från vegetativ till reproduktiv fas .

LHP1-homologer genomgår också växtutvecklingen. Förutom särskiljande CHROMO- och ChSh-domäner innehåller vissa LHP:er andra distinkta motiv (fig. 4). Till exempel har LHP1 från poppel en extra CDC37-domän i sin N-terminus, och AtLHP1 omfattar en extra B5-domän som finns i fenylalanin-tRNA-syntetas β-underenheter. OsLHP1 består av ytterligare en domän för Peptide Chain Release Factors som är kopplad till proteinfamiljen; dessutom spelar denna domän en viktig roll i nysyntetiserade polypeptidkedjor som frigörs från peptidyl-tRNA . BdLHP1 innehåller ett annat ER-membranprotein SH3, som är associerat med membranlokaliserade chaperoner. PpLHP1 innehåller ytterligare en ostepontindomän.

PRC1-associerad faktor: EMF1

EMF1 och VRN1 finns specifikt i dikotyledoner. Både EMF1 och VRN1 är icke-sekvensspecifika DNA-bindande proteiner som reglerar genuttrycket under blomorganens utveckling. Aubert et al. betraktade EMF1 som ett nytt protein som är involverat i kontrollen av skottarkitektur och blomning i Arabidopsis; dessutom orsakar EMF1-förlustfunktionsmutanter en accelererad övergång från embryonal till reproduktiv utveckling . EMF1 och EMF2 deltar i den PcG-medierade tystnaden av hemotiska gener för blommor och är avgörande för den vegetativa utvecklingen . EMF1, ATX1 och ULT1 kan arbeta tillsammans för att upprätthålla kromatinintegriteten och förhindra att frögenerna uttrycks för tidigt efter groning . EMF1 är associerad med en H3K27me3-läsare som krävs för H3K27me3 . EMF1, LHP1 och histon H3 lysin-4 demetylas kan bilda ett EMF1c-komplex för att spela viktiga roller i regleringen av MIR172 och Flowering Locus T (FT) .

Varje art har en enda homolog gen för EMF1 utom gurka, bomull och Eutrema med två, och kål med fyra. Fylogenetisk analys visar att EMF1 är välkonserverad i dikotyledon, men kan sakna representativa eller intakta domäner i Pfam- och SMART-databasen. Proteinsekvensanpassning tyder på att sex konserverade motiv, särskilt motiv 4, 5 och 6 (fig. 5, Additional file 4), och vars funktioner är okända.

PRC1 associerad faktor: VRN1

VRN1 och VAL1/2/3 är växtspecifika komponenter i PRC1 och är subklasser av den växtspecifika B3-domäntranskriptionsfaktorfamiljen (Additionalfile 5). I likhet med EMF1 kan Arabidopsis VRN-gener förmedla vernalisering och spelar en viktig roll i övergången från vegetativ till reproduktiv fas som svar på långvarig kylbehandling. VRN1 lokaliseras i kärnan och är sekvensneutralt i DNA-bindning, inriktning på FLC och FT2 . Mutanter med förlust av funktion visar liknande fenotyper som andra PRC1-mutanter .

VRN1 och dess homologer är indelade i två klasser, AtVRN1a/RTV1 och AtVRN1b/1c/1d. B3-domänen är möjligen en speciell domän i VRN1-familjen (71, fig. 6). AtVRN1, som i denna studie benämns AtVRN1a, kännetecknas av två B3-domäner, finns endast i högre växtarter och binder specifikt till DNA . I den aktuella studien har fem VRN1-homologer identifierats i Arabidopsis, och flera homologer har också hittats i andra dikotyledoner genom BlastP. Domänorganisationen visade att AtVRN1a och dess homologer består av två B3-domäner (fig. 6). AtRTV1, AtVRN1b/1c/1d och deras homologer, främst i grupp II, uppvisar en förlust i den andra B3-domänen, som kan vara viktig för deras funktioner . Denna domän ersätts av superfamiljen BfiI_C_EcoRII_N_B3, som innehåller en N-terminal DNA-bindningsdomän för EcoRII-liknande proteiner med begränsat endonukleas av typ IIE, en C-terminal DNA-bindningsdomän för BfiI-liknande proteiner med begränsat endonukleas av typ IIS samt växtspecifika B3-proteiner .

PRC1-associerad faktor: VAL1/2/3

VAL-proteiner, som identifieras som en transkriptionell repressor, krävs för global repression av embryonala genuttryck . Fröplantorna av va l1 val2 dubbelmutant kan bilda embryoliknande proliferationer i rötter och apikala meristem, men inte i blad. Val2/val3-mutanter uppvisar liknande dominanta effekter i de homozygota val1-mutantplantorna . I val1-mutanter är 39 % av transkriptionerna i FUSCA3-regulatorn nedsatta, medan de centrala transkriptionsfaktorerna i LAFL-nätverket inte är nedsatta. Alla tänkbara transkriptioner som VAL1 kan vara riktade mot verkar genom epigenetisk och/eller transkriptionell repression . Dessutom är VAL1 och VAL2 involverade i vernalisering via PcG. VAL-proteiner arbetar tillsammans med BMI1 för att förmedla monoubiquitylering av H2AK119 och initiera repressionen av frömognadsgener . VAL-proteiner förmedlar repression genom att rekrytera ett histondeacetylaskomplex till LEC1/AFL-gener . VAL1 undertrycker FLC-transkriptionen genom att främja histondeacetylering . VAL1 nedreglerar AGL15 genom H3K27me3-avlagring vid uppströmssekvenserna av AGL15 .

Med undantag för B3- och zf-CW-domänerna, som är möjliga specialdomäner för VAL1/2/3-familjen, har de flesta VAL1/2/3-homologer ytterligare zinkfingermotiv, såsom PHD och ZnF-GATA, vid 3′-terminalen (fig. 7). VAL1-B3-domänen är nödvändig för att interagera med det kanoniska Sph/RY-elementet inom AGL15 och FLC . Zf-CW-domänen ingår i histonmodifieringsläsarmodulerna för epigenetisk reglering . I den aktuella studien finns VRN1-familjen bara i dikotyledoner (fig. 6) och dess homologer innehåller en eller två B3-domäner. VAL1/2/3-proteiner finns däremot från alger till angiospermer och endast en B3-domän. Dessutom kan VAL1/2/3-proteiner grupperas i tre grupper (fig. 7). Grupp I-innehållande VAL1-homologer finns endast i dikotyledoner; grupp II-innehållande VAL2-homologer och grupp III-innehållande VAL3-homologer finns i både dikotyledoner och monokotyledoner. Som framgår av våra resultat uppvisar alger och ormbunkar endast ett VAL-homologt protein, medan mossa uppvisar fem medlemmar och O. lucimarinus uppvisar inget.

PRC1-associerad faktor: AL1-7

AL-proteiner med en bevarad PHD-domän identifierades som en transkriptionsfaktor . Arabidopsis Alfin-proteiner betraktas som H3K4me2/3-läsare och fungerar som nya partner till AtRING1 och AtBMI1 . AL-proteinet är involverat i många utvecklingsprocesser, t.ex. förstärkning av MsPRP2-uttrycket i alfalfa-rötter och bidrar till salttolerans . I Arabidopsis kan både AL1 och AL5 binda till målgenernas promotorregioner och undertrycka flera negativa faktorer för att ge abiotisk stresstolerans . Arabidopsis AL6 är inblandad i regleringen av uttrycket av transkript som är relaterade till förlängning av rothår vid fosfatbrist. Dessutom beror denna process på dess PHD-domän som kan binda till H3K4me3, vilket är en epigenetisk regleringsstrategi för låg fosfattillgänglighet . AtAL7 spelar dock en negativ roll för salttolerans . I den aktuella studien har AL- och ING-familjerna samma PHD-domän, och det fylogenetiska trädet visar att de tillhör olika grenar, vilket tyder på att de är nära besläktade (Additional file 6). AL-familjen är den största PRC1-associerade faktorfamiljen. Arabidopsis har sju ALs som kan delas in i tre grupper, AtAL1/2, AtAL3/4/5 och AtAL6/7 . I den aktuella studien kan AL-proteinerna i fröväxter delas in i tre grupper, nämligen grupp I (AL1/2), grupp II (AL3/4/5) och grupp III (AL6/7). AL-proteinerna från sporväxter ligger längst ner i det fylogenetiska trädet (fig. 7). Majs och bomull omfattar fler AL-proteinmedlemmar än andra arter.

Bortsett från FvAL5, som omfattar 687aa med tre Alfin-domäner och en PHD-domän, är de flesta växter extremt konserverade i domänorganisationer, det vill säga en Alfin-domän och PHD, och uppvisar en sekvenslängd på cirka 230-300aa. (Fig. 7, Additional file 1). En Alfin- och PHD-domän, den speciella domänen för AL-familjen, är fördelade på proteinernas N- eller C-terminus. PAL-motivet, som ligger i Alfin-domänen, i AL2- och AL7-proteinerna kan binda till RING1 och BMI1 . PHD-fingerproteiner finns överallt i eukaryoter och fungerar som nyckelaktörer i regleringen av transkription och kromatinstruktur . PHD-finger krävs för H3K4me3/2-bindning i AL- och ING-familjerna .

PRC1-associerad faktor: ING1/2

AL-proteiner finns endast i växter medan ING-proteiner är vitt spridda i jäst, djur och växter. ING identifierades först hos däggdjur, och alla fem ING-proteiner kan binda till H3K4me3/2 genom PHD-fingrar och fungera som komponenter i histonmodifieringar . Dessa proteiner har dock sällan studerats i växter. I likhet med AL-proteiner kan konserverade AtING-proteiner känna igen H3K4me3/2 med hjälp av PHD-fingrar, medan de biologiska funktionerna hos AtING är okända .

De flesta växter innehåller två ING-gener (fig. 8). ING-proteiner bär en N-terminal ING-domän som binder till omodifierade H3-halsar och en C-terminal PHD-domän som är nödvändig för att binda H3K4me2/3 . I motsats till tidigare arbeten identifierade vi VcING1/2, OlING1 och CrING1/2 homologer i grönalger. PHD-fingrarna i VcING2 och CrING2 är ersatta av Tudor-domäner, som också är inblandade i protein-proteininteraktioner. Tudor-domänen kan binda till de symmetriskt dimetylerade argininerna i arginin-glycinrika sekvenser och histon H4 dimetylerat vid Lys20 .

PRC1-associerad faktor: EBS/SHL

EBS och SHL är BAH-domäninnehållande proteiner , som endast finns i växtriket och är vitt spridda från lägre till högre växter (fig. 1, ). Arabidopsis EBS-proteiner är negativa transkriptionsregulatorer, och ebs-mutationer resulterar i tidig blomning fenotyper . EBS och SHL binder till olika florala integratorer, där EBS reglerar FT och SHL reprimerar SOC1 . EBS och SHL agerar redundant vid reglering av frövila . EBS/SHL är H3K27me3-läsare som också kan binda H3K4me3 .

EBS/SHL-proteiner, som är indelade i två klasser (EBS-homologer i grupp I och SHL-homologer i grupp II). Grupp-I finns i högre växter, men grupp-II endast i angiospermer. Tre EBS-homologer, PpEBSe/d/f från mossa och EBS/SHL-homologer från alger finns längst ner i det fylogenetiska trädet. De flesta arter innehåller en enda SHL-kopia, men flera EBS-kopior, vilket rapporterats hos poppel, bomull och mossa (fig. 1 och 9). EBS/SHL-proteiner är mycket konserverade i längd, som varierar från 199 till 336 aa (de flesta ligger runt 220 aa), och i domänorganisation, en N-terminal BAH-domän och en C-terminal PHD-domän (fig. 9). PHD-fingret är relaterat till H3K4me2/me3 och BAH-domänen läser H3K27me2/me3-märket. I allmänhet korrelerar H3K4me3 med transkriptionsaktivering, medan H3K27me3 korrelerar med tystnad av gener i växter och djur. EBS har en BAH-domän och en PHD-domän som läser och påverkar H3K27me2/me3- respektive H3K4me/me3-märken. Dessutom förmedlar BAH-domänen, inte PHD-fingret, interaktionen mellan SHL eller EBS och EMF1 . BAH-H3K27me3- och PHD-H3K4me3-interaktioner är viktiga för SHL-medierad blomrepressering . EBS/SHL balanserar aktiva och repressiva kromatintillstånd.

.