在真核生物中，许多重要的发育相关的转录因子被发现能够结合到基因内部。目前，转录因子结合启动子或远端的增强子调控基因转录的机制已经比较清楚，但其结合到基因内部调控基因表达的分子机制却知之甚少。近期，来自中国农业科学院蔬菜花卉研究所、深圳农业基因组所、中科院生物物理所、加州大学戴维斯分校等6家合作单位的研究团队，通过研究TCP家族的CYC/TB1类转录因子—黄瓜卷须身份基因TEN调控卷须发育和运动的分子机制，为基因内部结合的转录因子是如何调控基因表达这一基础的科学问题提供了一个重要的解答。相关研究成果于7月13日以Regulation of plant architecture by a new histone acetyltransferase targeting gene bodies为题发表在Nature Plants上。
在设施生产上，黄瓜栽培需要吊蔓生长，不需要黄瓜卷须的攀缘能力；同时卷须的发育使得库容增大、竞争养分。需要及时地去除卷须，以促进黄瓜的健康生长、保证坐果。而人工去除卷须费时费工。因此，培育适合轻简化栽培的无卷须品种，是黄瓜株型改良的一个重要方向。该团队前期的研究克隆了控制黄瓜卷须发育的身份基因TEN，并揭示了黄瓜卷须的同源器官是侧枝——这一曾经困扰达尔文的植物发育学谜团。
TEN属于TCP家族中CYC/TB1类的转录因子，通过对TEN调控卷须的形态发育和运动能力的分子机制的研究，该团队揭示了TEN通过直接调控乙烯的合成来控制卷须的形态和攀援。研究发现，TEN是一个新型的多功能转录因子，其C端负责结合到下游靶标的基因内增强子上，其N端结构域是一类全新的组蛋白乙酰转移酶，主要乙酰化修饰组蛋白H3的球体区域，维持染色质开放，从而激活靶标基因表达。TCP家族的CYC / TB1类转录因子在作物株型调控中起着核心作用，例如关键的驯化基因TB1通过抑制分蘖的形成，促使大刍草过渡到玉米。该团队通过分析TEN在玉米中的同源基因TB1，发现TB1通过相同的机制结合到关键靶标的基因内增强子激活基因表达；因此揭示了CYC/TB1类转录因子可能具有的保守的表达调控新机制。
TEN binds to intragenic enhancers of its target genes
进一步针对人类中增强子结合转录因子—HSF-1和ERα的全基因组结合数据进行分析，研究人员推测，在真核生物中，组蛋白球体区域乙酰化可能是基因内部增强子表达调控的一个保守机制。该研究成果为揭示转录因子结合到基因内部如何调控基因表达的科学问题提出了新的见解，也为深入认识株型发育的基因调控网络提供了重要的突破。
该论文的第一作者为中国农科院蔬菜花卉研究所杨学勇研究员、深圳农业基因组所闫健斌研究员和西北农林科技大学毕业博士生张震。通讯作者为中国农科院深圳农业基因组研究所黄三文研究员。该研究得到了国家自然科学重点基金、国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划等项目的资助。
专家点评
朱健康（中科院上海植物逆境生物学研究中心）
中国农科院黄三文和杨学勇团队发现植物株型发育新机制
TCP家族的CYC / TB1类转录因子在作物株型发育调控中起着核心作用，例如从大刍草驯化到玉米的关键基因tb1抑制了分蘖的形成。最近的研究发现CYC/TB1类的转录因子能够通过结合到某些基因内部来激活下游靶标。其实在真核生物中，有许多发育相关的转录因子都能够结合到基因内部。然而，转录因子结合启动子或远端增强子调控基因转录的机制已经比较清楚，结合到基因内部如何调控基因表达？目前分子机制还了解甚少。
近日，中国农业科学院黄三文和杨学勇团队在Nature Plants 发表了题为Regulation of plant architecture by a new histone acetyltransferase targeting gene bodies的研究论文。该团队前期研究发现，葫芦科作物的卷须是侧枝的同源器官，黄瓜卷须身份基因TEN是玉米TB1的同源基因，属于CYC/TB1类的TCP转录因子。在该研究中，通过深入分析TEN的分子调控机制，作者们发现，TEN是一个新型的多功能转录因子；其蛋白的C端结构域能够结合基因内增强子，N端结构域乙酰化修饰组蛋白球体区域的赖氨酸，从而维持染色质开发，激活靶标基因表达。
作者们还发现，玉米TB1基因也具有相同的分子机制调控下游靶标基因的表达，因此揭示了CYC/TB1类转录因子可能具有的保守的表达调控新机制。根据人类增强子结合转录因子—HSF-1和ERα的全基因组结合数据，作者们最后推测，在真核生物中，组蛋白球体区域乙酰化可能是基因内部增强子表达调控的一个保守的机制。这项研究通过黄瓜卷须这个特殊的“透镜”，为解答结合到基因内部的转录因子如何调控基因表达的问题提出了新的见解，是发育生物学和基因表达调控领域的一个重要突破。
另一方面，由于TCP家族的CYC/TB1类转录因子在控制植物腋芽生长及株型发育中发挥着关键的作用，该研究揭示的这一类转录因子的新的保守调控机制，对深入了解其在腋芽发育中的核心功能，并广泛应用于作物株型改良，也具有重要的意义。
原文链接：
/10.1038/s41477-020-0715-2
