Plant HP1 protein ADCP1 links multivalent H3K9 methylation readout to heterochromatin formation

• DOI: 10.1038/s41422-018-0104-9
• Publication Date: 2018-11-13T08:26:20Z
• Authors: Shuai Zhao; Lingling Cheng; Yifei Gao; Baichao Zhang; Xiangdong Zheng; Liang Wang; Pilong Li; Qianwen Sun; Haitao Li
• Keywords: 0301 basic medicine; Cell biology; Chromosomal Proteins, Non-Histone; Genome Evolution and Polyploidy in Plants; Arabidopsis; Plant Development; Plant Science; Gene; Article; Molecular Mechanisms of Plant Development and Regulation; Helicase; Histones; Agricultural and Biological Sciences; 03 medical and health sciences; Heterochromatin; Escherichia coli; Genetics; EZH2; Cloning, Molecular; Biology; DNA methylation; Arabidopsis Proteins; Heterochromatin protein 1; Histone H3; Mutant; Life Sciences; Plant Nutrient Uptake and Signaling Pathways; DNA; DNA Methylation; Chromatin Assembly and Disassembly; Chromatin; Chromodomain; Histone; Chromobox Protein Homolog 5; FOS: Biological sciences; RNA; Gene expression; Transcription Factors

La proteína heterocromatina 1 (HP1) reconoce la metilación de la lisina 9 de la histona H3 (H3K9me) a través de su cromodominio conservado y mantiene la heterocromatina de la levadura de fisión a los mamíferos. Sin embargo, en Arabidopsis, Like Heterochromatin Protein 1 (LHP1) reconoce y colocaliza todo el genoma con H3K27me3, y es el homólogo funcional de la proteína Polycomb. Esto plantea la cuestión de si existen homólogos genuinos de HP1 en las plantas. Aquí, informamos sobre el descubrimiento de ADCP1, una proteína Agenet en tándem triple específica de la planta, como lector multivalente de H3K9me en Arabidopsis, y establecemos que ADCP1 es esencial para la formación de heterocromatina y el silenciamiento del transposón a través de la modulación de los niveles de H3K9 y metilación del ADN. Los estudios estructurales revelaron la base molecular subyacente al reconocimiento específico de H3K9me por parte de Tandem Agenet de ADCP1. Al igual que la HP1α humana y la HP1a de mosca, ADCP1 media la separación de fases de heterocromatina. Nuestros resultados demuestran que a pesar de sus distintas composiciones de dominios, ADCP1 evoluciona convergentemente como una proteína equivalente a HP1 en las plantas para regular la formación de heterocromatina.<br/>يتعرف بروتين الكروماتين غير المتجانس 1 (HP1) على هيستون H3 ليسين 9 ميثيل (H3K9me) من خلال الكرومودومين المحفوظ ويحافظ على الكروماتين غير المتجانس من الخميرة الانشطارية إلى الثدييات. ومع ذلك، في أرابيدوبسيس، مثل بروتين الكروماتين المتغاير 1 (LHP1) يتعرف على الجينوم ويحدد موقعه على مستوى الجينوم باستخدام H3K27me3، وهو التماثل الوظيفي لبروتين بوليكومب. وهذا يثير التساؤل عما إذا كانت متجانسات HP1 الأصلية موجودة في النباتات. هنا، نبلغ عن اكتشاف ADCP1، وهو بروتين Agenet ثلاثي الترادف خاص بالنبات، كقارئ H3K9me متعدد التكافؤ في Arabidopsis، ونثبت أن ADCP1 ضروري لتكوين الكروماتين غير المتجانس وإسكات الترانسبوزون من خلال تعديل H3K9 ومستويات مثيلة الحمض النووي. كشفت الدراسات الهيكلية عن الأساس الجزيئي الكامن وراء التعرف على H3K9me من قبل Agenet جنبا إلى جنب من ADCP1. على غرار HP1α البشري و FLY HP1a، يتوسط ADCP1 فصل طور الكروماتين غير المتجانس. توضح نتائجنا أنه على الرغم من تركيبات المجال المتميزة، فإن ADCP1 يتطور بشكل متقارب كبروتين مكافئ لـ HP1 في النباتات لتنظيم تكوين الكروماتين غير المتجانس.<br/>La protéine 1 de l'hétérochromatine (HP1) reconnaît la méthylation de la lysine 9 de l'histone H3 (H3K9me) par son chromodomaine conservé et maintient l'hétérochromatine de la levure de fission aux mammifères. Cependant, chez Arabidopsis, Like Heterochromatin Protein 1 (LHP1) reconnaît et colocalise le génome à l'échelle avec H3K27me3, et est l'homologue fonctionnel de la protéine Polycomb. Cela soulève la question de savoir si de véritables homologues HP1 existent dans les plantes. Ici, nous rapportons la découverte de l'ADCP1, une protéine Agenet triple tandem spécifique aux plantes, en tant que lecteur H3K9me multivalent chez Arabidopsis, et établissons que l'ADCP1 est essentielle à la formation d'hétérochromatine et au silençage des transposons en modulant les niveaux de H3K9 et de méthylation de l'ADN. Des études structurelles ont révélé la base moléculaire sous-jacente à la reconnaissance spécifique de H3K9me par tandem Agenet de l'ADCP1. Semblable à l'HP1α humaine et à l'HP1a de la mouche, l'ADCP1 assure la médiation de la séparation de phase de l'hétérochromatine. Nos résultats démontrent que malgré ses compositions de domaines distinctes, l'ADCP1 évolue de manière convergente en tant que protéine équivalente à HP1 chez les plantes pour réguler la formation d'hétérochromatine.<br/>Heterochromatin Protein 1 (HP1) recognizes histone H3 lysine 9 methylation (H3K9me) through its conserved chromodomain and maintains heterochromatin from fission yeast to mammals. However, in Arabidopsis, Like Heterochromatin Protein 1 (LHP1) recognizes and colocalizes genome-wide with H3K27me3, and is the functional homolog of Polycomb protein. This raises the question whether genuine HP1 homologs exist in plants. Here, we report on the discovery of ADCP1, a plant-specific triple tandem Agenet protein, as a multivalent H3K9me reader in Arabidopsis, and establish that ADCP1 is essential for heterochromatin formation and transposon silencing through modulating H3K9 and DNA methylation levels. Structural studies revealed the molecular basis underlying H3K9me-specific recognition by tandem Agenet of ADCP1. Similar to human HP1α and fly HP1a, ADCP1 mediates heterochromatin phase separation. Our results demonstrate that despite its distinct domain compositions, ADCP1 convergently evolves as an HP1-equivalent protein in plants to regulate heterochromatin formation.<br/>