近日，西南大学前沿交叉学科研究院生物学研究中心程道军教授课题组在国际知名期刊《美国科学院院刊》（PNAS）在线发表了题为“转录因子Schlank通过介导前胸腺中H3K27乙酰化向甲基化修饰的转变调控昆虫变态发育”（Schlank orchestrates insect developmental transition by switching H3K27 acetylation to trimethylation in the prothoracic gland）的研究论文。该研究以家蚕和果蝇为模式，发现转录因子Schlank介导幼虫末龄阶段前胸腺细胞中发生组蛋白H3K27乙酰化修饰（H3K27ac）向三甲基化修饰（H3K27me3）转变，进而抑制保幼激素信号转导分子Hairy的转录，最终促进蜕皮激素合成与变态发育。该研究系统解析了H3K27修饰模式的变化调控昆虫发育转变的表观遗传机制。
昆虫的生长与发育主要依赖于两大内分泌激素即保幼激素（juvenile hormone, JH）和蜕皮激素（ecdysone）的协同调控。在幼虫每个龄期的早期，咽侧体大量合成分泌保幼激素，其作用在于维持幼虫生长。但是，在幼虫每个龄期的末期，前胸腺（prothoracic gland, PG）大量合成分泌蜕皮激素，从而启动幼虫蜕皮或者幼虫向蛹的变态发育。保幼激素与蜕皮激素在昆虫生长与发育中的拮抗作用及其分子机制成为了科学家们广泛关注的焦点。组蛋白是真核生物染色质结构的基本组成原件，主要包括H2A、H2B、H3和H4等。组蛋白在特定条件下发生甲基化、乙酰化或泛素化等翻译后修饰，从而通过影响特定染色质区域的结构和可及性来激活或抑制靶基因的转录，实现对特定生物学过程的表观遗传调控。组蛋白H3第27位赖氨酸可发生乙酰化（H3K27ac）和甲基化（H3K27me3）两种相互拮抗的修饰，前者使染色质松散而激活基因转录，后者导致染色质浓缩而沉默基因。程道军教授课题组之前的研究发现，保幼激素信号转导分子Hairy在昆虫幼虫末龄早期的前胸腺中高表达，抑制蜕皮激素合成和变态发育；在幼虫末龄后期的前胸腺中，Hairy基因发生H3K27me3修饰而转录沉默，从而解除保幼激素对蜕皮激素合成及变态发育的抑制作用，表明H3K27me3修饰对蜕皮激素合成及变态发育发挥了正调控作用（PNAS, 2021）。然而，昆虫变态发育以及两种内分泌激素的互作是否涉及H3K27ac修饰及其与H3K27me3的拮抗作用尚不清楚。
本研究发现，在家蚕及果蝇的幼虫末龄阶段，前胸腺中总体的H3K27ac修饰水平随发育进程逐渐降低；用组蛋白去乙酰化酶Rpd3的抑制剂TSA处理家蚕幼虫或在果蝇前胸腺中特异敲降Rpd3，使前胸腺中H3K27ac修饰水平升高，结果导致蜕皮激素合成及变态发育受阻。
不仅如此，本研究还发现TSA处理或Rpd3敲降显著降低了前胸腺中总体的以及Hairy基因上的H3K27me3修饰的水平，并上调Hairy表达；敲降Hairy能挽救Rpd3敲降所导致的异常表型。这些证据表明，家蚕和果蝇幼虫末龄后期前胸腺中Hairy基因上发生H3K27ac修饰向H3K27me3修饰的转变，从而使Hairy转录下调并促进蜕皮激素合成与变态发育。
本研究进一步深入解析了幼虫末龄前胸腺中H3K27ac向H3K27me3修饰转变并进而抑制Hairy转录的精细调控机制。鉴于基因转录往往需要特定转录因子参与，本研究因而分析了家蚕幼虫末龄早期和后期的前胸腺的转录组，筛选获得在后期表达上调的转录因子。继而在果蝇前胸腺中对这些家蚕转录因子的果蝇同源体进行敲降，通过分析前胸腺中总体的以及Hairy基因上H3K27ac和H3K27me3两种修饰的水平变化，最终确定转录因子Schlank介导了前胸腺中Hairy基因上H3K27ac向H3K27me3的转变。
最后，本研究对Schlank的具体作用方式进行了详细探究，主要发现包括：在前胸腺中特异敲降Schlank可抑制蜕皮激素合成并阻碍幼虫向蛹的转变，过表达Schlank则促进蜕皮激素合成并诱导化蛹提前；Schlank通过其同源异型结构域直接结合Hairy基因的启动子，并通过蛋白互作将H3K27的去乙酰化酶Rpd3以及甲基化酶PRC2的核心亚基Su(z)12招募到Hairy基因启动子区，从而实现Hairy基因上H3K27ac向H3K27me3的转变，直接抑制Hairy转录；Schlank对H3K27乙酰化向甲基化转变的调控作用被保幼激素抑制，但受到蜕皮激素的正反馈调控。
综上所述，本研究证实转录因子Schlank通过介导幼虫末龄阶段前胸腺中组蛋白H3K27乙酰化修饰向三甲基化修饰的转变，从而通过抑制保幼激素信号转导分子Hairy的转录来解除保幼激素对蜕皮激素合成的抑制作用，最终促进蜕皮激素合成及变态发育。这些重要发现系统阐明了组蛋白H3K27修饰参与调节昆虫内分泌激素拮抗作用并影响昆虫变态发育的表观遗传机制，丰富完善了昆虫发育转变的分子调控网络。
博士生研究生袁冬琴为论文第一作者，程道军教授和钱文良副教授为论文通讯作者，夏庆友教授对该项研究给予重要指导。本研究得到国家自然科学基金、重庆市自然科学基金等项目资助。
扩展阅读：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2401861121