摘要：组蛋白翻译后修饰是调控基因表达和染色质结构的关键机制，赖氨酸上发生的如乳酸化、巴豆酰化、琥珀酰化和2-羟基异丁酰化等新型酰化修饰广泛参与植物生长发育、代谢调控、生物胁迫等过程，因其在调控基因表达中的新颖性和复杂性而受到特别关注，近年来也频繁出现在植物领域研究中

景杰生物 | 报道

组蛋白翻译后修饰是调控基因表达和染色质结构的关键机制，赖氨酸上发生的如乳酸化、巴豆酰化、琥珀酰化和2-羟基异丁酰化等新型酰化修饰广泛参与植物生长发育、代谢调控、生物胁迫等过程，因其在调控基因表达中的新颖性和复杂性而受到特别关注，近年来也频繁出现在植物领域研究中。如乳酸化修饰调控玉米干旱胁迫；2-羟基异丁酰化、琥珀酰化修饰调控棉花免疫反应和抗病。巴豆酰化修饰调控小麦低温胁迫等等。

其中，2-羟基异丁酰化修饰（Khib）丰度较高且在组蛋白修饰上进化保守，目前已在植物领域，尤其是植物病原菌研究中取得了系列进展。如：华中农业大学植物科学技术学院黄俊斌教授团队（一作陈晓洋教授）研究运用2-羟基异丁酰化修饰组学首次系统鉴定了水稻花器中Khib修饰蛋白，揭示了Khib在水稻重要病原稻曲菌致病中的调控机制[1]。（点击链接详细阅读：JIPB | 两篇连发：华中农大黄俊斌团队报道二羟基异丁酰化调控稻曲病菌致病新机制）。然而，2-羟基异丁酰化虽已在植物的组蛋白上被鉴定，但其功能及去修饰酶仍不清楚。

12月5日，安徽农业大学陈晓洋教授团队、广西大学徐秋涛教授团队联合宁夏大学、华中农业大学等多家单位在植物领域权威期刊Molecular Plant（IF=17.1）上在线发表了题为“Histone H4K8hib modification promotes gene expression and regulates rice immunity”的最新研究成果[2]。该研究分析了水稻中的H4K8hib修饰特征，探索了它在水稻免疫反应中的作用，并鉴定了其调控酶。

该研究运用2-羟基异丁酰化修饰系列抗体验证了H4K8hib作为水稻中一种活性表观遗传标记，与基因表达正相关，可增强免疫反应。此外，HDA705是调控H4K8hib的去修饰酶。HDA705的突变导致H4K8hib水平过高，从而激活防御相关基因的表达，最终增强水稻对病原体的抵抗力。景杰生物为该研究提供了2-羟基异丁酰化修饰泛抗体及特异性组蛋白抗体支持。

01

H4K8hib与水稻中基因表达激活相关

2014年，赵英明教授发现H4K8hib修饰分布广泛，对染色质功能调节起关键作用，可作为基因转录激活的新指标。因此，研究者首先使用景杰生物提供的2-羟基异丁酰化修饰泛抗体和H4K8hib抗体检测了水稻、拟南芥、玉米和甘蔗中的Khib修饰，证明了H4K8hib是植物中保守的染色质标记（图1A）。

水稻基因组中H4K8hib的ChIP-seq分析结果显示，该修饰主要分布在非转座子基因上，且主要富集在基因的转录起始区。同时H4K8hib水平与基因长度之间存在正相关，该分布特点与组蛋白激活型染色质标志非常相似（图1B-F）。进一步的，研究发现H4K8hib与活性组蛋白标记（H3K4me3、H3K4ac、H4K5ac和H4K8ac）呈正相关，而与抑制性标记（H3K27me3和H3K9me2）呈负相关或较低相关（图1G），表明H4K8hib修饰与组蛋白激活型染色质标志呈正相关，特别是H4K8ac乙酰化修饰。

此外，研究结合转录组数据分析发现，全基因组上存在H4K8hib修饰的基因的表达水平显著高于不含该修饰的基因，且H4K8hib信号也与基因表达水平呈正相关。表明H4K8hib修饰与基因表达激活相关（图1H-I）。

图1 H4K8hib的表观遗传特征分析

02

H4K8hib在水稻病害反应中的调节作用

GO分析结果表明，H4K8hib单标记基因在几个与防御反应相关的通路显著富集。

随后，研究者分析了在感染青枯病菌（U. virens）后1天水稻穗的H4K8hib和H4K8ac水平，发现病原感染显著诱导了H4K8hib水平，且质谱结果显示2-羟基异丁酰辅酶A和2-羟基异丁酸的水平在U. virens感染期间也显著增加。

此外，研究在感染了稻瘟病菌（M. oryzae）和根腐病菌（R. solani）的植物中也观察到了H4K8hib的增加。这些结果表明H4K8hib在调节水稻的病害反应中发挥作用。

03

H4K8hib调控酶的鉴定

陈晓洋教授前期研究表明，组蛋白去乙酰化酶HDA705、HDA716、SRT1和SRT2参与组蛋白Khib的去修饰（Chen et al., 2021）。为了识别H4K8hib的去修饰酶，本研究检测了hda705、hda716、srt1和srt2水稻突变体中的H4K8hib水平，结果显示只有HDA705的突变导致H4K8hib水平显著增加，且不影响H4K5hib水平（图2K）。

酶活测定结果表明HDA705能够明显降低体外H4K8hib修饰水平（图2L）。当HDA705催化域位点突变后则明显降低了其活性，表明HDA705是H4K8hib去修饰酶。

此外本研究还对水稻hda705突变体进行H4K8hib修饰ChIP-seq分析，结果发现突变体中大多数基因的H4K8hib修饰水平显著（图2M），且这些基因富集在真菌防御反应和对真菌的反应通路中（图2N），表明H4K8hib参与增强水稻的抗病能力。

图2 HDA705是H4K8hib的去修饰酶

04

HDA705通过调节H4K8hib水平影响水稻抗病基因转录与病害反应

此前研究发现，突变HDA705能够增强水稻的抗病性，因此作者推测hda705突变可能通过促进H4K8hib修饰和相关基因的表达，从而增强了水稻抗病。为此，研究团队对hda705突变体进行了转录组和Chip-seq分析，结果发现hda705中H4K8hib水平变化也与基因表达之间存在强相关性（图3Q）。GO分析结果表明，高H4K8hib的上调基因富集于植物防御相关通路（图3R）。

此外，研究发现许多调控水稻抗病性相关基因如IPA1、WRKY24、LOX5等基因上均有H4K8hib修饰，而hda705突变导致这些基因上的H4K8hib修饰水平升高，且表达水平也显著上调。

研究进一步利用hda705lox5双突变体接种稻曲菌进行分析，结果表明突变LOX5能够降低hda705的抗病性（图3S-U）。以上结果表明，HDA705通过调节H4K8hib修饰水平来调控防御相关基因的转录，从而影响水稻对病原体的防御反应。

图3 HDA705通过调节H4K8hib水平影响水稻抗病性

综上所述，本研究证明了H4K8hib作为一种保守且活跃的组蛋白标记，位于蛋白编码基因的启动子和外显子上。H4K8hib与H4K8ac协同作用，促进更高的基因表达，并在病原感染时被诱导。研究还发现HDA705能下调H4K8hib修饰，其功能丧失将导致H4K8hib水平升高、抗病基因激活同时病原抵抗力增强。综合来看，本研究提供了H4K8hib在水稻中的全基因组概述，将其调控与植物生物胁迫反应联系起来，推动了我们对植物中组蛋白修饰的深入理解。

值得一提的是，陈晓洋教授、徐秋涛教授及其合作者在水稻抗病、生长发育、胁迫响应领域发表了系列研究成果：

1. NAR | 水稻去乙酰化酶HDA714调控核糖体蛋白机制

2.

3.

4.

5.

6.

景杰评述

与乙酰化相比，2-羟基异丁酰化修饰在组蛋白上出现的频率更高且进化保守，暗示Khib可能发挥着重要的表观调控作用。本研究系统地描绘了H4K8hib在水稻中的表观特征，并对水稻H4K8hib的调控酶进行了鉴定，发现HDA705作为H4K8hib的ERASER，能够通过调节H4K8hib水平影响水稻抗病基因的转录与病害反应。为水稻的免疫调控机制提供了全新视野。

然而，我们对于2-羟基异丁酰化的调控酶研究还非常有限，目前只有部分Writer和Eraser被研究报道，且2-羟基异丁酰化的Reader研究还较为空白，是与其他修饰共用相同的Reader？亦或是具有独特的Reader？并且这些调控酶如何调节对应底物的分子机制还需要更加清晰的线索以及组学数据来支持。

值得一提的是，2-羟基异丁酰化修饰除了能通过表观调控影响植物胁迫响应外，非组蛋白的2-羟基异丁酰化修饰也在植物免疫中发挥着至关重要的作用，且目前已发表多篇高水平文章（NAR | 2-羟基异丁酰化修饰参与拟南芥光暗适应性反应、Adv Sci | 2-羟基异丁酰化修饰参与调控棉花黄萎病抗性等）。我们可以借助2-羟基异丁酰化修饰组学技术，助力我们发现植物免疫新靶点，进而探究其作用机制，最终为植物逆境响应提供新的见解。

景杰生物作为新型酰化研究的领跑者，在上万例样品中积累了丰富的新型酰化修饰研究经验和实验方案。可提供“从WB预筛选，新型酰化修饰组学分析，到运用丰富的酰化修饰位点特异性抗体进行功能验证，再到后续的CUT&Tag分析”等全流程服务。景杰生物PTMab抗体产品具有高特异性、高亲和力、高批间一致性等优势，其应用也多次见刊于Cell, Nature, Science等国际顶尖杂志。如果您想了解景杰生物研究产品和服务的更多信息，可咨询景杰生物销售工程师、或拨打科服热线400-100-1145。

参考文献：

1. Chen X, et al. 2021. Ustilaginoidea virens modulates lysine 2-hydroxyisobutyrylation in rice flowers during infection. J Integr Plant Biol.

2. Xu Q, et al. 2024. Histone H4K8hib modification promotes gene expression and regulates rice immunity. Mol Plant.

来源：景杰生物