综述：Set1复合物相关蛋白复合体及其在作物改良中日益增长的作用

本综述系统总结了COMPASS复合体在植物中的进化保守性、染色质靶向机制、表观遗传修饰互作及其在胁迫适应与作物改良中的多重功能，重点探讨了H3K4me1/2/3的动态调控、TrxG蛋白（如ATX/ATXR）的功能分化，以及通过转录因子（如TCP/ABF）、染色质重塑复合物（如INO80）和非编码RNA（如LAIR/MAF4）的靶向招募机制，为作物表观遗传育种提供了新视角。

　　

Introduction

在真核细胞中，DNA缠绕组蛋白八聚体形成核小体，其组蛋白N末端可发生多种化学修饰。其中组蛋白H3第4位赖氨酸甲基化（H3K4me）是最受关注的修饰之一，包括单甲基化（H3K4me1）、二甲基化（H3K4me2）和三甲基化（H3K4me3）。在酵母中，所有H3K4甲基化均由Set1相关蛋白复合体（COMPASS）催化；后生动物中则通过基因复制扩展出SET1A/B、MLL1-4等多个甲基转移酶，各具功能特异性。植物中H3K4me3富集于基因5′端转录起始位点，与活跃转录相关；H3K4me2分布于基因5′至3′端，在植物中被视为抑制性标记；H3K4me1均匀分布于基因体中部，促进转录延伸并拮抗H3K9me介导的基因沉默。

拟南芥中七种SET结构域蛋白（AtATX1-5和ATXR3/7）负责H3K4甲基化沉积。ATXR3/SDG2在体外催化所有类型H3K4甲基化，体内主要维持全局H3K4me3水平，调控开花抑制因子FLC、配子体发育基因和生物钟振荡器的表达。AtATX1/3/4/5和ATXR7也参与H3K4me3催化，但单基因突变不会导致全局H3K4me3减少。AtATX1和ATXR7通过基因特异性方式调控开花和免疫响应。AtATX3/4/5结构相似且表达模式一致，三突变体使H3K4me2/3降至野生型75%并引发发育缺陷。研究表明AtATX3/4/5主要调控H3K4me2而非H3K4me3，而AtATX1/2和ATXR7共同负责H3K4me1沉积。这些证据表明拟南芥H3K4甲基转移酶具有功能分化与特异性。

COMPASS complexes in plants

植物COMPASS复合体以类似哺乳动物的方式组装。拟南芥五个Trithorax样H3K4甲基转移酶与保守亚基WD40 REPEAT 5a（WDR5a）、ASH2 RELATIVE（ASH2R/TRO）和RbBP5 LIKE（RBL）形成复合体。水稻中存在以OsTRX1为主要甲基转移酶的类似复合体，OsSDG721和OsSDG705分别与AtATX3和AtATX4/5同源。COMPASS成分在拟南芥、水稻和高粱中高度保守，在梨和黑杨中同样存在，表明不同植物谱系采用相似分子机制精细调控基因表达。

AtRBL与AtWDR5a和AtASH2R互作，而AtWDR5a与AtASH2R无直接互作，提示AtRBL是复合体组装核心。AtASH2R对建立全局H3K4me3模式至关重要，OsASHL1/2敲除导致H3K4甲基化大幅丧失。AtWDR5a作为分子适配器，不仅与AtRBL和多个ATXs互作，还能识别甲基化H3K4肽段和lncRNA，协助COMPASS靶向特定基因座。由于ATXs功能冗余，单个或多个ATX基因缺陷不致死；但核心亚基（如WDR5a、ASH2R）为单拷贝基因，遗传破坏耐受性低。AtWDR5a无效突变体无法存活，OsWDR5a突变体胚胎致死，AtASH2R/TRO无效突变体胚胎发育停滞于球状期，表明这些亚基是COMPASS功能不可或缺的组成部分。

Chromatin targeting strategies of COMPASS

COMPASS靶向染色质的机制包括：DNA结合因子招募、转录机器关联、RNA介导靶向和组蛋白修饰阅读器引导。Ding等证实AtATX1/COMPASS通过RNA聚合酶II（Pol II）Ser5磷酸化C端结构域（CTD）互作富集于基因5′端。帽结合复合体（CBC）亚基CBP20与AtATX1物理互作，CBP20突变降低AtASH2R/COMPASS占据和FLC位点H3K4me3沉积。

AtATX1/2与TCP和trihelix转录因子共享DNA结合 motifs。JMJ28通过WRC结构域识别“YTGCAG” motif，与AtRBL互作并共定位于AtATX2，指导COMPASS靶向下游基因。水稻OsULT1识别OsDREB1b启动子cis元件，可能引导OsTRX1染色质结合，该互作在拟南芥中进化保守。AtULT1与TCP14/15互作，提示TCP介导的COMPASS招募机制。水稻SIP1促进OsTRX1富集于Ehd1基因5′端调控开花时间。根长调节因子OsRLR4招募OsTRX1至OsAUX1启动子，通过auxin调控抑制初根伸长。

菊花DgMYB与DgATX互作协同激活DgPOD响应冷胁迫；梨PpyABF3与PpyWDR5a互作促进PpyDAM4和PpyGA2OX1位点H3K4me3沉积，整合ABA信号和GA代谢调控芽休眠；杨树PtrAREB1-2与PtrWDR5a-1和PtrASH2-2互作招募COMPASS增强干旱响应基因表达。相反，拟南芥BTE1与AtWDR5a互作抑制COMPASS染色质结合，导致H3K4me2/3沉积波动并减弱Pol II延伸。

染色质重塑剂也参与COMPASS招募。PICKLE（PKL）与AtATX1互作促进FT位点H3K4me3沉积，拮抗PRC介导的抑制。染色质重塑因子INO80的N端结构域（NTD）通过JMJ24与AtATX4/5结合，NTD缺失中和转录激活和H3K4me3建立。

RNA介导的招募提供另一调控层。拟南芥反义转录本MAS通过AtWDR5a招募COMPASS至MAF4基因座建立H3K4me3；水稻反义转录本LAIR与OsWDR5a结合维持OsLRK1位点H3K4me3沉积。尽管组蛋白阅读器引导COMPASS招募的直接证据尚缺，但AtWDR5a和OsWDR5a结合甲基化H3的能力，以及ATX蛋白固有的组蛋白识别结构域（PWWP、Tudor、ePHD）为这种机制提供了分子基础。

Crosstalk with other epigenetic modifications

表观遗传调控涉及组蛋白修饰、DNA甲基化和染色质重塑的动态互作。酵母中H2B单泛素化（H2Bub）解除Set1自抑制增强催化效率。植物中AtATX1与H2B泛素化酶HUB1/2互作，HUB1/2是FLC位点H2Bub、H3K4me3沉积和AtATX1占据的前提条件。水稻中OsHUB2与OsTRX1互作抑制Ehd1位点H3K4me3沉积和OsTRX1占据，显示物种间功能分歧。

TrxG蛋白通常拮抗PcG蛋白调控基因表达。AtULT1同时与TrxG因子AtATX1和PcG因子EMF1互作，暗示AtATX1-COMPASS与EMF1-多梳复合物串扰。种子萌发过程中AtATX1、AtULT1和EMF1协调维持种子储存和胚胎成熟相关基因的H3K27me3沉积确保初根正常生长。最新研究发现AtULT1通过招募PRC复合物促进FLC位点H3K27me3沉积，凸显其在H3K4me3-H3K27me3互作中的角色。

DNA和RNA修饰也可能与COMPASS调控互作。H3K4me3的人工沉积招募DNA去甲基酶ROS1导致FWA位点DNA低甲基化。AtATX1/2-和AtATX4/5-COMPASS通过调控DNA糖基化酶、RdDM途径成分和DNA甲基转移酶表达冗余控制DNA甲基化水平。此外，m⁶A修饰介导H3K4me3空间分布：m⁶A写入器MTA与AtATX1竞争结合Pol II Ser5磷酸化CTD，引起基因5′端H3K4me3下游偏移，降低转录效率。

Roles of COMPASS in stress adaptation and crop improvement

H3K4甲基化在胁迫响应基因表达中起关键作用，包括生物胁迫（病原攻击）和非生物胁迫（干旱、盐渍、极端温度）。早期研究揭示AtATX1/COMPASS介导的耐旱性和免疫响应依赖于ABA生物合成和激素响应基因的H3K4甲基化。有趣的是，AtATX4/5对耐旱性有相反效应，而水稻AtATX3同源物OsSDG721和AtATX4/5同源物OsSDG705分别增强耐盐性和耐旱性。AtATX4/5通过JMJ24与INO80染色质重塑复合物关联，而AtATX1/2无此互作，这可能解释二者在耐旱性中的功能差异。

AtATX1/COMPASS在温度胁迫响应中发挥核心作用：激活热胁迫响应基因并在胁迫恢复期间维持这些位点H3K4me3，同时清除DNA甲基化建立热胁迫转录记忆；在冷胁迫下与CURLY LEAF协作沉积双价H3K4me3-H3K27me3修饰。

关于生物胁迫，COMPASS介导的病原响应认知较少。JMJ28关联的AtATX1/2-COMPASS通过抑制ABA生物合成基因AtNCED3或防御相关转录因子基因WRKY33负调控免疫。甘蓝型油菜BnTX1通过抑制BnNCED3表达降低对黑胫病的抗性。这些发现表明ATXs/COMPASS在生物和非生物胁迫响应中具有多效性功能。

随着COMPASS调控机制日益明确，通过调控COMPASS相关基因改良作物成为可能。鉴于核心成分（WDR5a、ASH2R、RBL）改变会导致严重后果，遗传操作可能聚焦于Trithorax样基因。玉米ZmSDG128敲低导致叶角增大和株型松散，提示其过表达可能优化高密度栽培株型；小麦TaATX4负调控ABA响应，转基因株系通过ABA超敏增强耐旱性；OsSDG721过表达增强水稻耐盐碱性；康乃馨DcATX1加速乙烯诱导花瓣衰老，其沉默延长切花瓶插寿命；普通菜豆PvTRX1h敲低增加根瘤数但降低每根瘤细菌CFUs，表明其调控根瘤形成。这些项目展望COMPASS相关基因（主要是Trithorax样基因）作为遗传改良靶点提升作物在亚优条件下的表现。

Conclusion and future perspectives

尽管COMPASS功能机制研究取得进展，仍存在未解问题。全局靶向的精确机制轮廓尚不清晰：转录因子、染色质重塑剂和染色质相关RNA协助特定基因座招募，但支配数千基因组位点分布的原则及表型后果仍不明确，尤其在作物中。需采用先进互作筛选技术（如亲和纯化或邻近标记结合质谱）和高通量位点特异性染色质因子富集方法（如TurboCas）进一步探索COMPASS染色质结合机制。

酵母COMPASS亚基N端乙酰化对H3K4甲基化沉积至关重要；拟南芥ATX1 SET结构域发生O联β-N-乙酰葡糖胺修饰且为其催化活性所必需。是否存在其他修饰类型？这些修饰如何影响COMPASS功能？解答这些问题将拓展对COMPASS调控灵活性的认知。

新证据揭示COMPASS复合体的非经典、核外功能：哺乳动物SET1B-COMPASS在细胞质中以催化非依赖方式促进乳腺癌生存；拟南芥ATX1产生截短异构体甲基化细胞质延伸因子EF1A。这些发现表明COMPASS家族成员可能演化出染色质调控之外的新功能，阐明这些核外角色可能代表COMPASS研究的下一个前沿。