2025年4月22日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所肖軍研究組在Developmental Cell在線發表了題為Dynamic control of H2A.Zub and H3K27me3 by ambient temperature during cell fate determination in Arabidopsis的研究論文，本研究綜合運用ChIP-seq、CUT&Tag、RNA-seq等技術，揭示了低溫環境通過抑制TOE1的表達及其對INO80-C復合物的招募來減緩H2A.Z組蛋白變體從染色質上的移除、同時增強PRC1復合物介導的H2A.Z單泛素化修飾。這種溫度響應的調控機制并與PRC2-介導的H3K27me3協同沉默胚胎基因，從而調控擬南芥的細胞命運。

環境溫度對植物發育至關重要，其通過激活復雜調控網絡使植物適應溫度變化。然而，不同溫度條件下染色質修飾如何精確協調細胞發育命運仍不清楚。本研究通過整合轉錄組、表觀基因組和遺傳學分析發現，在擬南芥中，較低環境溫度（16℃）可通過在異位表達的胚胎發育基因（如ABA不敏感基因ABI3和子葉發育基因LEC1）上特異性沉積H2A.Zub組蛋白修飾，部分恢復PRC2突變體中H3K27me3缺失導致的發育缺陷。這種修飾導致靶基因表達下調，從而補償H3K27me3的缺失。

研究表明：PRC1復合物催化的H2A.Zub與PRC2復合物催化的H3K27me3協同抑制胚胎基因轉錄，調控植物萌發后發育進程。低溫通過降低TOE1蛋白水平，延緩特定基因組位點H2A.Z的更新速率，從而維持胚胎基因的抑制狀態，減輕萌發后發育階段對PRC2-H3K27me3表觀遺傳標記的依賴性。該研究揭示了植物適應環境溫度變化的表觀遺傳協同調控機制，為理解環境信號與表觀遺傳網絡的互作提供了新見解。

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1. 低溫環境可部分修復prc2突變體的發育缺陷

PRC2功能缺失(clf-28 swn-736)的擬南芥在22°C多數形成多胚葉“多克隆”組織；將幼苗降至16°C，可使≈90%以上恢復為小型但形態正常的植株（圖1A、1B）。RNA-seq比較“多克隆”與恢復植株，得到3933個差異表達基因（圖1C）：胚胎/種子成熟基因（ABI3、LEC1、CUC1、LEC2）在“多克隆”中上調（圖1D、1E），光合作用-葉綠素基因在恢復植株中上調（圖1D、1F）。qRT-PCR證實，越早從22°C轉至16°C，ABI3、CUC1、LEC2表達越低，對應正常植株比例越高。ChIP-seq顯示突變體在兩溫度下H3K27me3均近乎缺失，說明低溫緩解表型不依賴該修飾。

圖1：低環境溫度可部分緩解prc2突變體的發育缺陷

2.?低環境溫度抑制clf-28 swn-7中異位表達的胚胎基因

對clf-28 swn-7全發芽期分S1–S5觀察發現，表型分化始于真葉期S3，S4，對應15 DAS（從層積結束算起的天數）內細胞命運已確定（圖2A）。RNA-seq顯示S3–S5的DEGs（差異基因）數在16°C與22°C間急劇增加（圖2B），PCA亦在S3起出現溫度依賴的轉錄分離。16°C下下調的基因富集于種子發育、體胚發生，反之上調基因關聯細胞壁及葉綠體發育、減數分裂（圖2E）。與Col-0同期相比，clf-28 swn-7在16°C的轉錄組更接近野生型（圖S2C），一致于形態的部分恢復。特別是在S3-S4，有992個胚胎/干細胞相關基因（如ABI3、AIL5、CUC1、LEC1/2）在22°C上調而在16°C被抑制（圖2D、2F、2G），其低溫下的下調被認為阻止了多克隆形成。

圖2. 不同溫度下clf-28 swn-7各發育階段的轉錄組分析

3.?低環境溫度降低了PRC2在靶基因上的結合

FIE（受精非依賴性胚乳）-ChIP-seq結果表明，Col-0在16°C的PRC2結合位點和強度均大幅降低（圖3A–3C），與FIE表達量無關。22°C下FIE結合的3970個基因中，僅51個(<1.3%，組I)在16°C同時上調并伴隨H3K27me3顯著下降（圖3D）；其余3919基因（組II+III）雖FIE與H3K27me3均減弱，但表達保持穩定，提示存在替代性沉默機制。

clf-28 swn-7在16°C被抑制的992個基因中，341個為FIE直接靶標，并與Col-0組II+III高度重疊（222基因），富集于種子發育/體胚發生通路。代表性胚胎基因LEC1、CUC1在低溫下FIE與H3K27me3均降低卻未激活，說明低溫可借助PRC2以外的染色質修飾抑制多克隆相關基因，從而緩解突變體表型。

圖3. Col-0在22°C和16°C條件下FIE結合靶點的ChIP-seq分析

4.?PRC1和H2A.Z在低環境溫度下協同部分恢復clf-28 swn-7的生長缺陷

在發芽過程中，種子發育和成熟關鍵基因（ABI3、FUS3、LEC2、LEC1）依次受PRC1/PRC2抑制。為了測試PRC1是否在16°C下補償PRC2缺失，作者構建了ring1a?clf-28 swn-7三重突變體，其在16°C時僅51.3%植株表現植物形態（clf-28 swn-7為更高）（圖4A），表明PRC1必要性。ChIP-seq顯示，clf-28 swn-7中H2Aub全基因組顯著減少但在16°C略增（圖4B）；而在hta10 clf-28 swn-7（H2A突變）中，16°C下植株/多克隆比例與clf-28 swn-7無異，22°C反而更高（圖4C），提示H2Aub非主要作用。相反，hta9-1?clf-28 swn-7（三重突變，H2A.Z）僅14.8%幼苗成株（圖4D）。H2A.Z ChIP-seq發現，341個基因在clf-28 swn-7中于16°C特異性富集H2A.Z（圖4E）；ABI3、LEC1、CUC1的H2A.Z增加經CUT&Tag-qPCR驗證，H3K27me3未恢復（圖4F、4G）。RNA-seq與RT-qPCR顯示，這些基因在hta9-1?clf-28 swn-7中低溫下持續活躍（圖4H、4I、S4C），GO富集指向體胚發生、種子成熟/休眠。綜上，低溫下PRC1主要通過H2A.Z單泛素化而非H2Aub來強化胚胎基因沉默。

圖4. PRC1和H2A.Z（而非H2A）在低溫下部分恢復clf-28 swn-7的生長缺陷

5.?PRC1催化的H2A.Zub和PRC2催化的H3K27me3在后發芽階段協同沉默種子發育程序

hta9-1clf-28 swn-7在子葉擴展前呈現atbmi1a/b/c強突變體的白色子葉和根部膨脹表型（圖5A），其差異表達基因與atbmi1a/b/c vs Col-0 10 DAS的DEG顯著相關，提示H2A.Z與PRC1在發芽后早期協同作用。

在Col-0中，341個胚胎基因在S1→S2（2–3DAS）階段H2A.Z特異性富集后于S3（7 DAS）下降，而H3K27me3則從S1→S3逐漸增加（圖5B）；ABI3、LEC1經ChIP-qPCR驗證（圖5C–5F）。

ChIP-re-ChIP顯示ABI3、LEC1、CUC1上的H2A.Zub在S1→S2增加、S2→S3減少（圖5G），其表達在h2a.z突變體S1顯著升高、在clf-28swn-7?S2→S3被激活（圖5H、S5D），表明H2A.Zub與H3K27me3協同維持發芽后胚胎基因沉默。

圖5：PRC1催化的H2A.Z單泛素化與PRC2催化的H3K27三甲基化協同抑制萌發后種子發育程序

6.?低溫通過 TOE1 特異性減緩 H2A.Z 的周轉速率

為探究為何低溫下clf-28 swn-7在341個細胞命運相關基因上特異性富集H2A.Z（圖4E），我們在22°C和16°C的S2、S2.5（22°C下5DAS、16°C下6DAS）及S3采樣做ChIP-seq。結果表明：在22°C，H2A.Z在S2達峰后于S2.5快速下降，S3繼續減少；而在16°C，H2A.Z從S2到S3保持高位（圖6A）。全基因組范圍內兩種溫度對H2A.Z占位的變化不顯著。

Col-0同期樣本也顯示：這341個基因在22°C H2A.Z水平顯著下降，16°C則無變化（圖5B、6B）；H3K27me3在16°C下繼續累積，與22°C相似。ABI3、LEC1、CUC1實例見圖6C、6D。啟動子基序分析發現富集LEC2、TOE1、ABI3結合位點（圖6E）。Y2H、BiFC、co-IP顯示僅TOE1與INO80-C復合體成分EEN/ARP5直接互作（圖6F–6H；圖S6C、S6D）。將toe1 toe249與clf-28 swn-7交配得三重突變體，22°C下92.9%呈“半多克隆”表型（圖6I、6J）。RNA-seq和RT-qPCR顯示BBM、CUC1、LEC1、LEC2顯著下調（圖6K、6M），GO富集于體胚發生和種子成熟途徑（圖6L）。16°C下80.1%發育成植株，胚胎基因表達極低（圖6I、6M）。

以上結果表明，低溫通過TOE1調控INO80-C介導的H2A.Z周轉，從而影響關鍵胚胎基因的轉錄，部分恢復clf-28 swn-7的發育缺陷。

圖6. 低溫通過TOE1控制H2A.Z動態并塑造細胞發育命

7. TOE1響應環境溫度并控制胚胎基因H2A.Z的動態變化

通過ChIP-qPCR(mTOE1-FLAG)發現，22°C條件下在S2/S3階段TOE1直接結合341個胚胎基因中LEC1、LEC2和PEI1的染色質區域（圖7A、7B）；在toe1 toe2雙突變體中，這些基因的H2A.Z水平在22°C下從S2到S3不降反升（圖7C、7D），而mTOE1-FLAG株系中LEC1/ABI3的H2A.Z周轉顯著加速（圖S7A），表明TOE1促進H2A.Z驅逐。盡管TOE1可通過與CLF相互作用招募PRC2（圖S7B、S7C），toe1 toe2中H3K27me3在S2–S3階段依舊累積（圖S7D、S7E），提示其沉積不受TOE1調控。此外，toe1 toe2的H2A.Z動態與低溫下Col-0相似（圖S7F），RT-qPCR和Western blot顯示16°C顯著降低TOE1轉錄與蛋白水平（圖7E、7F），而TOE1與INO80-C(ARP5)的互作強度不變（圖7G），但ChIP-qPCR證實16°C下TOE1在LEC1/LEC2/PEI1上的結合減少（圖7H），說明低溫通過降低TOE1水平減緩H2A.Z周轉。綜上，TOE1通過招募INO80-C驅逐與種子發育相關基因的H2A.Z，促進發芽后發育轉換；低溫誘導的TOE1表達下降則減緩該過程，部分挽救clf-28 swn-7的低溫發育缺陷（圖7I）。

圖7. 低溫抑制TOE1表達并削弱TOE1介導的H2A.Z驅逐

該研究揭示了環境低溫（16℃）如何通過調控組蛋白變體H2A.Z的單泛素化和周轉速率，與PRC2-介導的H3K27me3協同決定擬南芥細胞發育命運。作者發現：在PRC2缺失突變體clf-28 swn-7中，低溫能促使H2A.Zub特異性積累于341個胚胎／干細胞基因，抑制其轉錄，從而部分恢復突變體的發育缺陷；這一沉積依賴PRC1而非H2A普通泛素化。正常萌發過程中，PRC1-催化的H2A.Zub先升后降，而PRC2-催化的H3K27me3逐步增加，二者接力沉默種子成熟基因。低溫通過下調轉錄因子TOE1的表達與蛋白水平，削弱其與INO80-C復合體協同驅逐H2A.Z的功能，導致上述位點H2A.Z周轉減緩并持續抑制胚胎程序；該過程與PRC2獨立。總體上，研究揭示了“TOE1-INO80-H2A.Zub”與“PRC2-H3K27me3”兩條表觀調控模塊，在溫度信號驅動下交替接管基因沉默以塑造植物的細胞命運。