TOC1的磷酸化作用会不成比例地增强染色质在节律性基因启动子处的结合能力

《SCIENCE ADVANCES》：TOC1 phosphorylation disproportionally enhances chromatin binding at rhythmic gene promoters

植物昼夜节律中TOC1磷酸化调控机制研究。TOC1 Serine-175磷酸化通过增强与FHY3相互作用，稳定TOC1在CCA1启动子区 occupancy，维持其转录抑制功能。突变体5X及S175A导致节律周期缩短（1.5小时）、振幅降低（幅度减少约31%），且与NF-YC协同调控基因表达。全基因组RNA-seq分析显示，5X植株约41.2%节律基因相位提前4小时，振幅降低至83.18（log10值）。TOC1磷酸化通过调控FHY3-TOC1复合物形成及核定位，选择性调节核心节律基因（如CCA1）与非节律基因（如LHY）的表达。关键发现包括：1）S175磷酸化是TOC1与FHY3结合必需；2）TOC1磷酸化状态影响核染色质结合特异性，仅节律基因呈现 occupancy下降；3）TOC1-FHY3-G-box信号通路主导CCA1调控。

　　植物的昼夜节律调控是一个复杂的生物过程，它使得植物能够适应昼夜交替的环境变化。TIMING OF CAB EXPRESSION 1 (TOC1) 是植物昼夜节律系统中的一个核心转录抑制因子，其在N端区域的磷酸化对于维持正常的昼夜节律至关重要。本文的研究揭示了TOC1磷酸化在基因表达节律调控中的关键作用，特别是其对FAR-RED ELONGATED HYPOCOTYL3 (FHY3)和PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR 5 (PIF5)的相互作用及对CCA1基因表达的调控。

研究中发现，TOC1的N端磷酸化，尤其是丝氨酸175（S175）的磷酸化，对于维持正常的昼夜节律和基因表达的稳定性是不可或缺的。通过构建不同的TOC1磷酸化突变体，研究人员观察到这些突变体在一定程度上无法恢复野生型TOC1突变体的短周期表型，导致CCA1基因表达的振幅和周期性显著下降。这表明TOC1的磷酸化状态对其在昼夜节律系统中的功能具有重要影响。

进一步的实验表明，TOC1与FHY3和PIF5的相互作用依赖于其磷酸化状态。特别是在CCA1基因的启动子区域，TOC1的磷酸化增强了其与FHY3的结合能力，从而更有效地调控CCA1的表达节律。然而，TOC1与LHY基因启动子的结合则不受磷酸化的影响，这提示TOC1对不同基因的调控机制可能存在差异。同时，研究还发现，TOC1的磷酸化对基因表达的节律性和振幅有显著影响，而这种影响主要体现在节律性基因上。

通过全基因组的转录组分析，研究人员发现TOC1的磷酸化状态对节律性基因的表达具有更显著的影响。在TOC1突变体背景下，节律性基因的表达相位和振幅发生了明显变化，而非节律性基因的表达则相对稳定。这说明TOC1的磷酸化可能在调控节律性基因表达方面起着更为关键的作用。

此外，研究还发现，TOC1的磷酸化不仅影响其与FHY3和PIF5的相互作用，还可能通过与其他转录因子的协同作用来调控基因表达。例如，TOC1与NF-YB/C因子形成三聚体复合物，从而增强其在节律性基因启动子区域的结合能力。而FHY3作为光信号整合因子，在早晨将红光信号传递给昼夜节律系统，对CCA1基因的表达起着重要的调控作用。

通过结合多种实验方法，包括染色质免疫沉淀（ChIP）和RNA测序（RNA-seq），研究揭示了TOC1磷酸化在基因表达节律调控中的具体机制。TOC1在节律性基因启动子区域的结合能力显著低于其在非节律性基因启动子区域的结合能力，这可能是因为磷酸化状态影响了TOC1与其他转录因子的相互作用，从而改变了其在基因组上的分布和功能。

这些发现不仅加深了我们对植物昼夜节律调控机制的理解，还为未来研究植物如何通过复杂的转录调控网络来适应环境变化提供了新的视角。TOC1磷酸化在维持基因表达节律性和增强与特定转录因子的相互作用方面发挥着关键作用，这可能对植物的生长、发育和生理适应性产生深远影响。研究还指出，TOC1在非节律性基因上的结合可能并不具有功能性，这为理解植物基因调控的多样性提供了新的线索。