異染色質絲 (Heterochromatin) 抑制轉位子表達與調節細胞核結構。在人類與果蠅的細胞中，由異染色質絲蛋白質 (Heterochromatin Protein 1, HP1) 辨識 H3 lysine 9 trimethylation (H3K9me3)，與其他蛋白質共同維持異染色質絲的功能，並參與相位分離 (phase separation)。但是植物中的同源基因 Like Heterochromatin Protein 1 (LHP1) 功能不同，研究團隊鎖定了與 HP1 同樣具有 Agenet domain 的 Agenet Domain Containing Protein 1 (ADCP1) ，由生化、結構、表現量等不同分析角度展示 ADCP1 在植物中的功能與 HP1 相似。
植物遺傳選文第十五篇
Plant HP1 protein ADCP1 links multivalent H3K9 methylation readout to heterochromatin formation
植物異染色質絲蛋白質 ADCP1 連結 H3K9 甲基化讀值與異染色質絲之形成
論文速讀
ADCP1 is an H3K9me2-specific reader weakened by H3S10ph
研究團隊以 3D-carbene based SPRi 篩選阿拉伯芥 Royal 蛋白質基因家族，鎖定了一個對於 H3k9me2 信號特別強烈並帶有 Agenet domain 的基因 AT1G09320，也就是下文中的 ADCP1，該基因產物胺基酸序列上有兩兩成對的 Agenet domain，每一對功能區段單獨分離檢測都能辨認 H3K9 甲基化的組蛋白 (histone)，ADCP1 對 H3K9me2 的結合親和性略高於 H3K9me 和 H3K9me3，但是鄰近的 H3S10ph 則會弱化 ADCP1 對 H3K9me2 的結合親和性。
Structural basis for H3K9me2 recognition by tandem Agenet domains
根據 Agenet 與 H3K9ME2 複合體蛋白質晶體結構顯示，胜肽間的結合並不會造成明顯的結構改變。以 Agenet 3/4- H3K9me2 複合體作為代表，兩者間呈現面對面的接觸，Agenet 胺端與羧端以及 pro-rich 的中間序列形成了穩定的疏水中心，作用為胜肽辨認。組蛋白端則形成了 helix-loop 結構與 Agenet 端連結。
ADCP1 is directly associated with heterochromatic regions
為了證實在細胞中 ADCP1 確實會辨識 H3K9me2，研究團隊以 GFP 融合的 ADCP1 蛋白質方法偵測，觀察到 ADCP1 與 H3K9me2 在細胞中出現在細胞中的相同位置。至於這兩者在序列上的關係，以 ChIP-seq 分析顯示兩者共同出現在著絲點周邊 (pericentromeric region)，ADCP1 在轉位子附近也特別豐富 (enrichment)。至此可以推測 ADCP1 在阿拉伯芥中的分子功能相當於 HP1。
ADCP1 is required for heterochromatic chromocenter formation
為了瞭解 ADCP1 的功能，研究團隊準備了 T-DNA 插入的突變株和 CRISPR 造成 1kb 刪除的突變株，突變株中的核仁鬆散且體積增大，經 ADCP1-GFP 互補後核仁體積又縮小。除了 ADCP1-GFP 以外，將 ADCP1 上的三對 Agenet 區段置換胺基酸使其結構改變而不具有原有的功能，在此稱為 ADCP1M，並且比較使用 ADCP1-GFP 以及 ADCP1M-GFP 的互補效果，進而驗證確實是 ADCP1 上的 Agenet 功能區段拯救了突變的核仁鬆散性狀。
ADCP1 regulates H3K9/CHG/CHH methylation levels and TE silencing
看完細胞影像，來看序列上的分佈。突變株中轉位子上下游的 H3K9me3 明顯較野生型中來的少，而 DNA 甲基化的情況也受到 ADCP1 缺失影響，由 BS-seq 結果可見，轉位子上下游的 CHG, CHH 型甲基化比例在突變株中較低，而 CG 型則比較不受影響。結合 RNA-Seq 的表現量分析，突變株表現量上調的轉位子中有 70% 通常會被 H3K9me2 抑制，但是在突變株中 DNA 上的 H3K9me2 比野生型少。挑選出的五個轉位子做為代表呈現在 ADCP1 突變株中因為 ADCP1 的缺失而影響的表觀遺傳調控，這些表現量增加的轉位子有可能會影響染色體的穩定性。
ADCP1 mediates heterochromatin phase separation
HP1 的磷酸化蛋白質在人類與果蠅中的羧端會負向調控相位轉換 (phase transition)，進而影響異染色質絲的形成。研究團隊觀察到只具有 Agenet 3-6 的 ADCP1 也會促進相位轉換，而 Agenet 1-2 則會負向調控，為了驗證 ADCP1 如同 HP1 一樣有開關機制，以 lysine analog (MLA) 組蛋白與 “designer” nucleosome array (NA) 測試，顯示在生化上 ADCP1 與 HP1A 同樣會促進斑點 (puncta) 的形成。這些斑點非常圓、對濃度反應敏感、且在 FRAP 檢測中斑點與周邊溶液動態地交換 ADCP1，這三點代表這些在 ADCP1/H3K9me3 NA 上觀察到的斑點是相位轉換，以 Aurora B 測試顯示這個相位轉換還是會被第十個胺基酸的磷酸化現象溶解。綜上所述 ADCP1 作用如同 HP1，透過保守的相位轉換機制來調控異染色質絲的形成。
讀後感
這篇文章相當扎實，研究方法從生化、結構、生物資訊、細胞影像、到突變株分析都有，沒想到在人類與果蠅中共通的異染色質絲調控蛋白質 HP1 在植物中的同源基因並不是相同的功能，而必須要有脈絡地擴大搜尋範圍，這是很有可能會發生在推論生物意義時的陷阱 (pitfall)。
下載連結
https://www.nature.com/articles/s41422-018-0104-9
引用資訊
Zhao, S., Cheng, L., Gao, Y. et al. Plant HP1 protein ADCP1 links multivalent H3K9 methylation readout to heterochromatin formation. Cell Res 29, 54–66 (2019). https://doi.org/10.1038/s41422-018-0104-9
