2022年9月14日，Nature在線發表了美國哈佛醫學院（HMS）、麻省總醫院Jen Sheen和Ruiqiang Ye團隊及合作者題為「Glucose-driven TOR-FIE-PRC2 signalling controls plant development」的研究論文。營養元素葡萄糖是如何調節細胞命運和器官發生的，仍不清楚。該研究發現TOR激酶可與PRC2複合物中的FIE互作並磷酸化FIE N端的保守位點，從而介導FIE的核定位並誘導基因組中的H3K27me3；揭示了FIE作為橋樑，連接營養信號傳導和基因組表觀遺傳，從而調控植物發育的分子機制。同日，Nature Plants在線發表了Joseph Willson 博士題為「TOR keeps development sweet」的亮點評論。
https://doi.org/10.1038/ s41586-022-05171-5
營養元素和能量，已成為調節動植物發育的中心；葡萄糖是一種通用營養元素，是大多數細胞的主要能量供應者、代謝前體和生物質來源。在光合植物中，光合作用誘導的葡萄糖信號傳導在多個發育過程中發揮著關鍵作用，並對農藝學上的重要性狀和作物產量至關重要。值得注意的是，植物生長激素和小肽信號在沒有葡萄糖信號網絡的情況下，無法有效地支持植物的發育。但是，葡萄糖信號如何調節細胞命運和器官發生，在很大程度上仍然未知。
雷帕黴素（TOR）激酶，是一種主要的葡萄糖信號傳導介質；它通過整合營養和能量信號，以及生長因子、激素和環境信號，來控制植物的生長、發育和衰老。已有研究發現，TOR激酶在翻譯、細胞增殖、代謝和自噬中具有關鍵的調節作用；然而，TOR激酶是如何調控植物發育轉變和細胞分化的，其分子機制仍知之甚少。
為了探索植物發育中TOR調控網絡的新機制；該研究首先利用不同濃度水平TOR激酶抑制劑Torin2對擬南芥幼苗的處理，發現TOR激酶活性的降低可引起基因組中表觀遺傳標記H3K27me3水平的降低。利用tor-es突變體，研究人員證實H3K27me3水平特異性地降低了，但H3K4me3、H3K9me2或H3K36me3不受影響；表明TOR激酶可調控基因組的H3K27me3沉積和/或維持。糖分可誘導TOR激酶的活性；與此一致，對無糖培養基中生長的擬南芥幼苗施加葡萄糖可恢復TOR激酶介導的H3K27me3水平，進一步添加高濃度Torin2又抑制了H3K27me3水平（Figure 1）。
Figure 1. TOR激酶特異性調控全基因組的H3K27me3
基因組的H3K27me3水平，由PRC複合物調控；植物中的PRC複合物有4個主要成員，CLF/SWN、EMF2/VRN2、MSI1和FIE。利用新型鄰近標記技術PUP-IT，該研究發現FIE可特異性與TOR激酶互作；同時，TOR激酶可直接在體外磷酸化FIE，且Torin2可阻礙該磷酸化。通過LC-MS/MS分析，研究人員進一步鑑定到了FIE N端的4個磷酸化位點，並顯示這些磷酸化位點在植物和動物中具有保守性。葡萄糖可誘導FIE中這些位點的磷酸化，並介導FIE的核定位；但Torin2處理或tor-es突變體，可抑制FIE中這些位點的磷酸化並阻礙其核定位（Figure 2）。這些結果表明，FIE可作為橋樑，連接葡萄糖-TOR信號和PRC2介導的H3K27me3。
Figure 2. TOR激酶對FIE的磷酸化可促進其核定位
那麼，TOR激酶介導的FIE磷酸化是如何調控植物發育的呢？通過在fie/+雜合體中表達含SSTS磷酸化位點或AAAA突變位點的GFP–FIE蛋白，以及構建fie-amiR-es誘導型突變體，並對它們進行轉錄組分析；該研究發現FIE磷酸化可調控近4000基因的表達。其中，192轉錄因子的表達被上調了，它們在幹細胞穩態、細胞命運決定、模式化和發育轉變中起著重要的調節作用。與基因表達一致，這些植物具有一系列的表型；如早開花、葉子、花和角果的大小、形態和模式化異常，植物結構微型化，花分枝減少和不育，以及增大的莖分生組織（Figure 3）。
Figure 3. FIE磷酸化對基因表達和植物發育的影響
最後，為了詳細說明葡萄糖-TOR信號對H3K27me3的影響，該研究著重探索了葡萄糖-TOR-FIE-PRC2信號調節春化誘導的花轉變的分子機制。FLC是春化作用過程中調控開花時間的關鍵性抑制因子；低溫處理可誘導PRC2的核定位並介導FLC的H3K27me3，從而抑制FLC的表達，促進開花。但Torin2處理或tor-es突變體，使FLC的H3K27me3水平下降，並促進FLC的表達；從而抑制開花。另外，FIE磷酸化位點的突變，也會促進FLC的表達，並抑制開花（Figure 4）。
Figure 4. 葡萄糖-TOR-FIE信號促進春化作用介導的開花
綜上所述，該研究揭示了FIE連接營養信號傳導和基因組表觀遺傳的分子機制：葉片中光合作用產生的葡萄糖，被運輸代謝以激活TOR激酶；TOR激酶與細胞質中的FIE互作並使其磷酸化；磷酸化的FIE易位到細胞核中以增強PRC2活性，從而被轉錄因子募集到特定的染色質位點，以H3K27me3沉積和基因沉默來調控植物的各種發育程序（Figure 5a）。在春化作用中，葡萄糖-TOR-FIE-PRC2信號通過FLC的H3K27me3沉積來抑制FLC基因的表達，從而完成營養發育向繁殖發育的轉變，並促進開花（Figure 5b）。
Figure 5. 葡萄糖-TOR-FIE-PRC2信號的分子模型
原文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05171-5
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