撰文 | 金润、朱杨

责编 | 王一

基因表达的精确调控存在多层次多维度的运作机制，其中如何精确开启沉默基因的表达一直是一个重要的理论研究热点。过去的研究认为，染色质三维空间结构，基因结构上的组蛋白修饰，染色质修饰蛋白和转录因子的互作等是确保基因在特定组织和约定时间表达的关键步骤。从生物发育上讲，少数关键转录因子 (master TF) 的特定开启对改变细胞功能分化命运起到决定性作用，因为这些关键转录因子能起到一对多的作用，达到调控多个通路中的诸多关键下游基因的效果 【1】 。在近几年的动物领域，多个先端研究结果发现，关键转录因子能够直接和染色小体结合，尤其是在染色质空间和生物结构处于关闭的环境下，主动改变染色质结构，且能特异性得找到的下游靶标基因，并通过和其他互作蛋白结合启动基因表达。目前生物学家将这类稀少而特殊的转录因子命名为先锋转录因子(pioneer TF) 【1】 。在植物领域中，对先锋转录因子的研究还不多。目前为人所知的，其中一个在种子种的先锋转录因子是LEAFY COTYLEDON1(LEC1) 【2】 。

尽管对先锋转录因子的定义随着更多研究的深入在逐步完善，但是以目前的研究进展来说，区别于传统转录因子，先锋转录因子得有以下几个突出的生物学特征：第一，能直接和染色小体和染色质结合；第二，先锋转录因子与链接组蛋白 (linker histone) 进行置换；第三，解封在转录层面当前受到抑制的染色质 (图一) 【1】 。

图一: 先锋转录因子的特性 【1】

2021年1月27日，美国宾夕法尼亚大学金润博士和Doris Wagner教授课题组在Nature Communications发表了题为LEAFY is a pioneer transcription factor and licenses cell reprogramming to floral fate的研究论文。该研究利用生物化学，分子生物学和多组学方法，研究了花器官发育关键转录因子LEAFY (LFY) 的先锋转录因子功能。

图二:《自然通讯》“花发育基因LFY的先锋转录因子特性及其生物学机制” 【3】

该研究的思路主要是基于一个体外EMSA实验，发现LFY蛋白能特异性结合经过下游基因APETALA1 (AP1) 上特定DNA序列缠绕的核小体 (Nucleosome-occupied DNA) 【3】 。在花发育过程中，AP1是LFY的下游，被LFY特异性激活。为了验证探究LFY的先锋转录特性，实验上通过Dexamethasone (Dex) 诱导LFY表达优化了一套体外根生花芽的体系 (root explant) ，以便更好地判断LFY的先锋转录功能 【3】 。通过RNA seq发现，在根生花芽的体外诱导体系中LFY化学诱导表达后的24小时后，AP1表达量就显著升高，说明LFY上调AP1很灵敏 【3】 。此外通过MNase-seq和ChIPseq查看LFY结合染色质的能力和特异性识别下游靶标发现，在染色质处于关闭状态下，LFY就能够结合上去为下一步打开染色质结构做好准备 【3】 。随着时间的推移，染色质逐步打开，LFY在特定位点置换链接组蛋白H1 (Histone 1) 并且招募其他转录原件 【3】 。再综合RNA seq 结果发现，LFY的先锋转录因子的功能最后落实到对下游重要花发育基因和通路的显著性上调并因此改变细胞分化方向 【3】 。

图三: LFY先锋转录因子的功能模型 【3】

该论文第一作者为金润博士。金润博士毕业于美国宾夕法尼亚大学 (U Penn) ，现托马斯杰弗逊医院项目管理。本文共同作者中，肖军博士，现任中科院遗传和发育研究所研究员；朱杨博士，现任浙江大学百人计划研究员。

推荐阅读：
[1] Zaret K. (2020) Pioneer Transcription Factors Initiating Gene Network Changes.Annual Review of Genetics

[2] Tao Z, Shen L, Gu X, Wang Y, Yu Y, He Y. (2017) Embryonic epigenetic reprogramming by a pioneer transcription factor in plants. Nature

[3] Jin R, Klasfeld S, Zhu Y, Garcia MF, Xiao J, Han SK, Konkol A, Wagner D. (2021) LEAFY is a pioneer transcription factor and licenses cell reprogramming to floral fate. Nature Communications

https://www.nature.com/articles/s41467-020-20883-w