葡萄糖是生物体重要的能量来源和信号分子。植物通过光合作用合成葡萄糖，通过呼吸作用降解葡萄糖，促进植物的生长与发育，其中糖酵解是葡萄糖代谢的核心环节。组蛋白修饰参与细胞命运决定、DNA损伤、染色体的稳定性、个体发育和转录调控等多个进程。尽管代谢与组蛋白修饰密切相关，但这证据在植物中还待进一步揭示。
近日，中国科学技术大学丁勇课题组在Nature Plants上发表了题为”Nuclear-localized pyruvate kinases control phosphorylation of histone H3 on threonine 11”的研究论文，揭示了糖酵解途径的丙酮酸激酶，在葡萄糖诱导的情况下进入细胞核，完成组蛋白H3T11的磷酸化（H3T11ph），与组蛋白变化H2A.Z共同调控拟南芥开花时间和下胚轴伸长的分子机制。
丙酮酸激酶（Pyruvate Kinase）是糖酵解途径的限速酶，其催化磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）生成丙酮酸。拟南芥中共有14个基因编码丙酮酸激酶，其中10个位于细胞质中 (PK1-10)，4个位于质体中（PKp1-4）。该研究发现拟南芥在糖饥饿情况下抑制H3T11ph水平，在葡萄糖充足情况下促进H3T11ph水平。通过突变体筛选，发现pk6/7/8突变体中H3T11ph水平明显示降低，而其它亚家族的二突与三突背景下，H3T11ph水平未见明显变化，表明PK6/7/8可能是H3T11磷酸化主要修饰酶。激酶活性实验发现，在葡萄糖充足的情况下，丙酮酸激酶PK6/PK7/PK8具有H3T11激酶活性，而在葡萄糖缺乏的情况下，不具有H3T11激酶活性，表明PK6/PK7/PK8活性受葡萄糖信号诱导。细胞学观察发现，在葡萄糖充足或正常光照下，PK6/PK7/PK8主要位于细胞核内；在糖饥饿或避光时，PK6/PK7/PK8逐渐从细胞核中迁移至细胞质中，而在葡萄糖恢复或重新光照后，PK6/PK7/PK8重新迁移细胞核。表明PK6/PK7/PK8的核质穿梭与H3T11ph激酶活性依赖于体内葡萄糖。
进一步研究发现，H3T11ph修饰与转录水平正相关，主要集中于转录的起始区与转录的终止区。在葡萄糖充足的情况下，PK6/PK7/PK8与组蛋白重塑复合物SWI2/SNF2-Related 1（SWR1）的亚基SWC4，在细胞核内发生相互作用。功能缺失的pk6/7/8突变体和swc4敲低植株具有早花以及下胚轴和花梗短小表型。在葡萄糖充足与光照情况下，PK6/7/8通过SWC4的作用结合在FLC, MYB73, PRE1, TCP4 和TCP10位点，完成H3T11ph修饰，促进转录。而在无糖与黑暗的情况下，仅SWC4结合在于FLC, MYB73, PRE1, TCP4 和TCP10位点，而PK6则不能结合于这些位点。
综上所述，该研究提出了核质穿梭的丙酮酸激酶，通过改变染色体修饰状态调控植物生长发育过程的全新机制。在葡萄糖充足的情况下，PK6/PK7/PK8进入细胞核与组蛋白重塑蛋白SWC4形成蛋白复合体，完成目标位点的H3T11ph修饰，参与植物生长发育的进程。
中国科学技术大学丁勇教授为论文通讯作者，博士研究生生胡鹏程是论文第一作者。中国科学技术大学副研究员苏艳华、博士研究生生徐艳梅和硕士研究生王玉鑫参与了本项研究。福建农林大学熊延教授为本研究提供了材料和实验指导。该研究得到基金委、安徽省重点研发、合肥大健康研究院及校创新项目支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41477-024-01821-w
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