Genome Biology项目文章 | 山东大学董家强团队揭示玉米EMF2b-1通过PRC2招募调控胚乳细胞周期的分子机制

玉米胚乳是人类粮食和畜牧业饲料的主要营养来源也是众多工业产品的原料基础。胚乳发育经历合胞体形成、细胞化、有丝分裂、细胞分化、核内复制endoreduplication和成熟等多个精确调控的阶段。其中有丝分裂决定了胚乳细胞的数量核内复制则通过反复的DNA复制而不伴随细胞分裂使细胞体积和DNA含量大幅增加——两者共同决定了最终的籽粒大小。然而调控这些细胞周期类型转换的分子机制尤其是表观遗传层面的调控长期处于空白状态。多梳抑制复合体2Polycomb Repressive Complex 2, PRC2是动植物中保守的转录沉默机器通过催化组蛋白H3第27位赖氨酸三甲基化H3K27me3实现长效基因抑制。在拟南芥和果蝇等模式生物中PRC2通过Polycomb响应元件PREs和转录因子的协同作用被招募至靶基因。但在哺乳动物中PRC2采用“扫描模式”结合未甲基化的CpG岛被认为更适合大基因组。那么在玉米这类基因组庞大~2.3Gb的作物中PRC2如何精确地“找到”并沉默靶基因PRC2又在胚乳发育的哪个阶段发挥功能这些问题一直悬而未决。近日山东大学生命科学学院董家强团队在Genome Biology发表了题为“EMF2b-1 regulates endosperm cell cycling through PRC2 recruitment in maize”的研究论文。该研究鉴定到玉米SUZ12同源蛋白EMF2b-1揭示了其通过PRC2复合体介导的H3K27me3沉积来沉默籽粒大小调控因子ZmDA1从而精准控制胚乳细胞周期转变的分子机制并首次阐明了转录因子BZR1-9作为PRC2招募因子的功能模型。爱基百客为该研究提供RNA-seq、CUTTag和ChIP-seq的技术支持。Part 1 研究思路SUZ12是PRC2的核心支架亚基负责与甲基转移酶和辅助亚基的相互作用对PRC2全酶的染色质靶向和催化活性至关重要。玉米基因组编码两个EMF2b旁系同源基因——EMF2b-1和EMF2b-2其中EMF2b-1在授粉后的胚乳中表达更为丰富。研究团队采用了多层次的实验策略EMS突变体筛选与表型鉴定 → RNA-seq转录组分析 → CUTTag/ChIP-seq全基因组H3K27me3图谱 → EMF2b-1 ChIP-seq靶基因鉴定 → 转录组与表观组联合分析 → IP-MS鉴定互作蛋白 → 转录因子验证 → 体外重建PRC2招募Part 2 研究结果01 EMF2b-1突变导致籽粒变小、胚乳细胞周期紊乱通过EMS诱变突变体库研究团队获得了emf2b-1的三个等位突变株系emf2b-1–1、emf2b-1–2、emf2b-1–3均导致提前终止密码子。等位性检测和过表达互补实验共同确认这些籽粒小型化表型均由EMF2b-1基因的功能缺失所致。Fig1 EMF2b-1的系统发育关系、表达模式及亚细胞定位表型分析表明emf2b-1突变体成熟籽粒显著变小、扁平粒长和粒宽均显著降低百粒重仅为野生型的约70%。石蜡切片揭示14 DAP授粉后天数的突变体胚乳在胚、基底胚乳转移层BETL、胚周围区域ESR和亚糊粉层的分化上均表现出明显延迟。淀粉胚乳细胞尺寸显著减小细胞数量减少约18.7%。Fig2 emf2b-1–1基因型玉米粒的表型分析值得注意的是流式细胞术分析给出了关键线索在14 DAP和17 DAP突变体胚乳中≥12C的高倍性核比例显著增加。14 DAP时≥24C核增加34.4%≥48C核增加2.86倍平均倍性提高30.1%。与此同时亚糊粉层细胞层数——这是胚乳发育后期唯一保留有丝分裂活性的区域——也显著增多。Fig3 emf2b-1–1突变体中的细胞周期受到影响综合来看EMF2b-1的缺失导致胚乳中有丝分裂和核内复制双重增强但细胞尺寸减小和细胞数下降的净效应仍然导致了籽粒变小。这一发现表明EMF2b-1在协调细胞周期进程中的关键角色与拟南芥和水稻中SUZ12同源基因主要调控受精前胚乳起始抑制和细胞化的功能截然不同。02 RNA-seqChIP-seq锁定EMF2b-1-PRC2直接靶基因网络为解析EMF2b-1调控的分子通路团队对10 DAP和14 DAP的野生型和emf2b-1–1胚乳进行了RNA-seq转录组分析。结果显示10 DAP时有3,316个基因上调、1,447个下调14 DAP时有2,215个上调、1,955个下调。上调基因的GO富集分析强烈指向细胞周期、DNA复制、染色体组织等通路具体包括Cyclins、E2Fs、RBR3/4、MCM2-7、PCNA、ORC1、CDC4-6等核心细胞周期调控因子。这一表达模式与已知的RBR-E2F/DP通路完全吻合从转录层面解释了突变体中细胞周期增强的原因。Fig4 EMF2b-1基因的突变是导致籽粒表型的原因。为进一步筛选EMF2b-1-PRC2的直接下游靶基因团队实施了双重ChIP-seq策略。H3K27me3 CUTTag/ChIP-seq在野生型中10 DAP和14 DAP的H3K27me3峰分别覆盖20,583和13,277个基因而在emf2b-1–1突变体中H3K27me3水平全基因组显著下降分别有6,691和4,566个基因的H3K27me3修饰减少。将这些基因与RNA-seq上调基因取交集——分别得到703和353个“突变体中H3K27me3降低且表达上调”的候选靶基因。EMF2b-1-HA ChIP-seq利用过表达EMF2b-1-HA可完全回补突变表型的转基因株系在14 DAP胚乳中鉴定到7,275个EMF2b-1结合峰对应5,928个直接靶基因。与H3K27me3数据和转录组数据三方交叉最终筛选出98个EMF2b-1-PRC2直接靶基因其GO显著富集于细胞周期调控和转录调控。Fig5 转录组分析表明与细胞周期和DNA复制相关的基因在emf2b-1–1中表达上调。在这98个直接靶基因中ZmDA1尤为引人注目。DA1是一个在植物中保守的种子大小负调控因子——它抑制细胞分裂同时促进核内复制其过表达导致种子变小。在emf2b-1–1突变体中ZmDA1的H3K27me3修饰降低、表达量升高完美契合了突变体的细胞周期表型。此外生长素合成途径基因TAR1和DE18也被鉴定为直接靶基因且在突变体中上调为突变体细胞分裂增强提供了另一层解释。Fig6 H3K27me3与EMF2b-1的ChIP-seq分析揭示了其直接靶基因。03 转录因子BZR1-9招募EMF2b-1-PRC2至ZmDA1PRC2核心亚基自身不具备DNA序列识别能力。那么EMF2b-1-PRC2是如何被精准招募到ZmDA1等靶基因启动子上的团队首先对98个直接靶基因的启动子区进行了de novo motif富集分析。结果显示多种已知转录因子结合位点显著富集包括GAGA重复BBR/BPC家族、BZR结合位点CACGTGTG、E2F、bHLH、HMG box和MYB等。这一发现提示多种DNA结合蛋白可能作为PRC2的招募因子。随后通过IP-MS技术团队从过表达EMF2b-1的胚乳中鉴定到全部核心PRC2亚基Mezs、FIEs、MSIs以及多个已知的PRC2辅助蛋白EMF1、LHP1验证了EMF2b-1作为PRC2复合体核心亚基的定位。更重要的是IP-MS还鉴定到多个互作转录因子包括HMG13、BZR1-9、PLATZ2、DED1和MYB等。团队聚焦于BZR1-9——它是拟南芥BZR1转录抑制因子的9个玉米同源基因之一主要在发育中的胚乳中表达且其结合motif在靶基因启动子区显著富集。Co-IP、荧光素酶互补成像LCI和GST pull-down三重实验证实了EMF2b-1与BZR1-9的直接物理互作。功能上Dual-LUC实验表明BZR1-9能够抑制ZmDA1的表达共表达EMF2b-1进一步增强了这一抑制效应。EMSA证实BZR1-9直接结合ZmDA1启动子而EMF2b-1自身不能结合DNA。关键的DPI-R-ELISADNA-蛋白质互作-招募ELISA实验则提供了决定性证据BZR1-9首先结合ZmDA1启动子探针随后EMF2b-1被特异性地招募到该复合体上。Fig7 BZR1-9与EMF2b-1-PRC2复合物相互作用以抑制ZmDA1的表达至此一条完整的PRC2招募路径被解析BZR1-9识别并结合ZmDA1启动子中的cis元件 → 招募EMF2b-1-PRC2全酶 → 催化H3K27me3沉积 → 沉默ZmDA1转录 → 调控胚乳细胞周期 → 决定籽粒大小。这一发现首次在玉米这类大基因组作物中证明PRC2的基因组靶向主要依赖转录因子结合cis调控元件来实现——其机制与拟南芥和果蝇中的PRE-TF模式进化保守而非哺乳动物式的“扫描”模式。同时除BZR1-9外多种转录因子HMG13、BBR/BPC、E2F等可能分别负责将PRC2招募到不同的靶基因位点构成多层次、多靶点的精细调控网络。Part 3 研究总结本研究通过整合遗传学、转录组学、表观组学和蛋白质组学手段系统揭示了EMF2b-1-PRC2在玉米胚乳发育中的功能和机制。新功能定位不同于拟南芥FIS2和水稻OsEMF2a调控胚乳细胞化的角色玉米EMF2b-1主要调控胚乳发育后期的有丝分裂-核内复制转变是SUZ12同源基因功能多样化的典型案例。核心分子机制EMF2b-1作为PRC2支架亚基通过转录因子BZR1-9等蛋白被招募至ZmDA1等靶基因启动子催化H3K27me3沉积以沉默这些基因的表达从而精确控制细胞周期的进程和籽粒大小。PRC2招募范式在大基因组植物中PRC2的基因组靶向依赖trans-acting转录因子与cis调控元件的协同作用这一模式在动植物中具有深层的进化保守性。该研究不仅填补了玉米胚乳表观遗传调控的重大空白也为通过分子设计育种改良玉米籽粒大小和产量提供了新的基因靶点。RNA-seq CUTTag ChIP-seq三管齐下的策略使研究团队能够从转录水平、组蛋白修饰水平和转录因子结合水平三个维度交叉验证最终精准锁定98个EMF2b-1-PRC2直接靶基因。这一案例充分体现了多组学整合策略在植物表观遗传调控研究中的强大解析力。爱基百客深耕表观遗传学与转录调控研究服务十余年拥有DAP-seq、CUTTag、ChIP-seq、ATAC-seq、RNA-seq等完整的多组学技术平台覆盖从实验设计、样本处理、文库构建、高通量测序到生物信息学分析和下游实验验证的全流程服务。参考文献Xu J, Zhang Y, Qing K, et al. EMF2b-1 regulates endosperm cell cycling through PRC2 recruitment in maize. Genome Biology, 2026, 27: 172. https://doi.org/10.1186/s13059-026-04049-3