生物通报道：来自华中农业大学，巴黎第十一大学，清华大学等处的研究人员发表了题为“Structural Basis of a Histone H3 Lysine 4 Demethylase Required for Stem Elongation in Rice”的文章，通过分析一种关键的去甲基化酶的核心催化结构，为解析H3K4去甲基化作用机制提供了结构基础，将有助于进一步分析植物茎生长的去甲基化作用机理。这一研究成果公布在PLoS Genetics杂志上。

文章的通讯作者为华中农业大学的张启发教授，清华大学医学院的娄智勇副教授，以及巴黎第十一大学的Zhou Dao-Xiu教授。张启发教授在去年曾于Science杂志上发表文章，揭示了水稻籼粳亚种间生殖隔离的机理，这对于水稻品种改良具有重要的意义，由此入选了2012年生命科学十大风云人物。

组蛋白修饰是一种重要的调控染色质结构和基因表达的表观遗传修饰，这种发生在染色体组成成分--组蛋白上的修饰，主要有甲基化(me)、乙酰化(Ac)、磷酸化(P)、泛素化，ADP-核糖基化等修饰方式。

其中，组蛋白甲基化修饰比较复杂，可以发生在赖氨酸或是精氨酸上，而且每个修饰位点可以有不同的甲基化修饰状态。其中组蛋白H3赖氨酸4三甲基化(H3K4me3)就是一种重要的组蛋白标记，能通过与起始因子TFIID之类的效应因子相互作用，召集激活基因，促进转录，在植物发育调控和应激适应的基因表达过程中扮演了重要的角色。

但是关于这种表观遗传修饰的复位机制，至今科学家们了解的并不多，在这篇文章中，研究人员发现了一种包含JmjC结构域的蛋白：JMJ703，能作为组蛋白赖氨酸去甲基化酶，特异性的令水稻中所有三种形式的H3K4me去甲基化。编码这一蛋白的基因如果失去功能，就会影响到植物茎的伸长和植物生长，这一过程可能与突变型中细胞分裂素氧化酶表达增加有关。

研究人员进一步又分析了这一蛋白的核心催化中心：c-JMJ703的晶体结构，发现这一结构与哺乳动物和酵母JMJD2蛋白（具有H3K9和H3K36去甲基化作用）的结构相似。

不过c-JMJ703也存在一些不同之处，具有一些特定的功能特征。研究人员还识别出了其它能与辅因子Fe（Ⅱ）和N-oxalylglycine，以及甲基化H3K4底物相互作用的残基，表明这些作用因子是体内去甲基化过程所必需的元件。

这项研究发现了H3K4去甲基化酶特异性保守的几个关键残基，由此表明它们可能参与H3K4去甲基化过程。这为H3K4去甲基化作用机制提供了结构基础，将有助于进一步分析植物茎生长的去甲基化作用机理。（生物通：张迪）

原文摘要：

Structural Basis of a Histone H3 Lysine 4 Demethylase Required for Stem Elongation in Rice

Histone lysine methylation is an important epigenetic modification in regulating chromatin structure and gene expression. Histone H3 lysine 4 methylation (H3K4me), which can be in a mono-, di-, or trimethylated state, has been shown to play an important role in gene expression involved in plant developmental control and stress adaptation. However, the resetting mechanism of this epigenetic modification is not yet fully understood. In this work, we identified a JmjC domain-containing protein, JMJ703, as a histone lysine demethylase that specifically reverses all three forms of H3K4me in rice. Loss-of-function mutation of the gene affected stem elongation and plant growth, which may be related to increased expression of cytokinin oxidase genes in the mutant. Analysis of crystal structure of the catalytic core domain (c-JMJ703) of the protein revealed a general structural similarity with mammalian and yeast JMJD2 proteins that are H3K9 and H3K36 demethylases. However, several specific features were observed in the structure of c-JMJ703. Key residues that interact with cofactors Fe(II) and N-oxalylglycine and the methylated H3K4 substrate peptide were identified and were shown to be essential for the demethylase activity in vivo. Several key residues are specifically conserved in known H3K4 demethylases, suggesting that they may be involved in the specificity for H3K4 demethylation.
 

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