综述：植物中组蛋白乙酰化/甲基化与活性氧代谢的相互作用

《Plant Growth Regulation》：The interaction between histone acetylation and methylation with ROS metabolism in plants

本文系统阐述了植物在非生物胁迫下，活性氧（ROS）代谢与组蛋白修饰（特别是乙酰化/甲基化）之间的双向调控网络。文章揭示了ROS不仅作为信号分子影响HATs/HDACs和HMTs/HDMs的活性，其代谢中间物（如乙酰-CoA、NAD+、SAM）更直接作为表观遗传修饰的底物或辅因子，通过改变染色质状态调控胁迫响应基因表达，为作物抗逆育种提供了新视角。

在植物的生命周期中，各种非生物胁迫不断挑战其生存，植物则进化出了复杂的防御系统以确保繁衍。活性氧（ROS）作为多种代谢途径的副产物产生，不仅在基础水平上作为损伤分子，更是重要的信号媒介。近年证据表明，参与ROS/氧化还原代谢的酶类可通过调节组蛋白修饰，特别是乙酰化和甲基化，来影响基因表达。然而，连接ROS动态与表观遗传调控的精确分子机制仍不甚清晰。本综述整合了当前关于植物中ROS代谢与全局组蛋白修饰之间相互作用的知识，重点阐述了这些相互作用如何塑造胁迫条件下的转录重编程。此外，我们还讨论了这种交互对话如何有助于植物应对干旱、盐度和重金属暴露等非生物胁迫的防御策略，并指出了这一快速发展领域中新出现的问题和未来的研究方向。

ROS参与代谢途径中的组蛋白乙酰化/甲基化调控

代谢是一个由众多反应、酶和中间产物构成的复杂网络。细胞能量需求由能量代谢中涉及的电子载体的一系列氧化还原反应提供，这些 redox 反应反过来维持能量平衡。除了单个中间产物，能量流始于己糖通过糖酵解代谢为丙酮酸。丙酮酸经丙酮酸脱氢酶（PDH）转化为乙酸盐，然后在线粒体中转化为乙酰辅酶A（acetyl-CoA），在此与草酰乙酸结合形成柠檬酸。糖酵解和三羧酸（TCA）循环中的关键代谢物，包括NAD⁺、黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）、2-氧戊二酸和乙酰辅酶A，提供了植物细胞中表观遗传过程与氧化还原代谢之间的机制联系。

在由代谢和ROS塑造的表观遗传机制中，组蛋白修饰是改变染色质状态和基因表达的核心调控层。 broadly speaking, 乙酰化、磷酸化和泛素化等修饰倾向于增强转录，而甲基化、生物素化和类泛素化通常与抑制相关。

组蛋白乙酰化是将乙酰基从乙酰辅酶A转移到组蛋白N末端赖氨酸残基的胺基上。这种修饰改变了DNA的可及性，并可抑制或激活基因表达。通过中和赖氨酸的正电荷，乙酰化通常诱导染色质松弛并促进转录激活，而去乙酰化则有利于染色质压缩并抑制基因表达。乙酰化水平由组蛋白乙酰转移酶（HATs）和组蛋白去乙酰化酶（HDACs）动态控制。值得注意的是，SIR2型去乙酰化酶需要NAD⁺作为辅因子，这将组蛋白乙酰化动态与细胞氧化还原状态直接联系起来。

代谢物如乙酰辅酶A、S-腺苷甲硫氨酸（SAM）和NAD⁺作为组蛋白修饰酶的底物/辅因子。乙酰辅酶A与细胞能量状态密切相关，来源于丙酮酸、柠檬酸、乙酸盐、各种氨基酸以及脂肪酸β-氧化。重要的是，这些代谢途径中的许多是氧化还原敏感的。例如，PDC活性在氧化胁迫下通过ROS诱导的修饰被抑制，而细胞NAD⁺（对sirtuin活性和乙酰化平衡至关重要）随氧化还原状态波动。因此，ROS可能通过影响乙酰辅酶A和NAD⁺可用性的代谢调整，以及控制HAT/HDAC活性所需的辅因子，间接影响组蛋白乙酰化，从而在胁迫条件下将细胞代谢与表观遗传调控联系起来。

编码许多初级和次级代谢酶的基因区域影响组蛋白乙酰化水平，而一些酶本身也受组蛋白乙酰化调控。例如，光捕获叶绿素a/b结合蛋白（LHCB）、ATP/ADP载体蛋白（AAC）、PDC、苹果酸脱氢酶（MDH）、磷酸甘油酸激酶（PGK1）和甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH）受组蛋白乙酰化调控，并且赖氨酸乙酰化与光合蛋白活性密切相关。TCA循环是植物能量代谢的氧化还原敏感枢纽，线粒体酶对干旱、盐度和寒冷等环境胁迫高度敏感，这些胁迫可导致ROS过量产生并改变细胞氧化还原状态。可逆的赖氨酸乙酰化调节TCA循环酶的活性，从而影响线粒体功能。柠檬酸合酶，催化草酰乙酸（OAA）与乙酰辅酶A缩合产生柠檬酸，受ROS诱导的二硫键抑制，而硫氧还蛋白可断裂这些键并恢复其活性。更广泛地说，ROS可诱导半胱氨酸残基间形成二硫键，改变蛋白质活性——包括那些调控染色质组织的蛋白质。输出到细胞质的柠檬酸分子被ATP-柠檬酸裂解酶（ACL）裂解为乙酰辅酶A和OAA。产生的乙酰辅酶A作为核内组蛋白乙酰化的底物，补充了质体和过氧化物酶体来源的乙酰辅酶A。

其他TCA酶，如乌头酸酶和α-酮戊二酸脱氢酶（α-KGDH），受S-谷胱甘肽化/半胱氨酸氧化抑制，而异柠檬酸脱氢酶（ICDH）受乙酰化抑制，苹果酸脱氢酶（MDH）被激活。RubisCo、PGK和GAPDH的活性在去乙酰化后增加。氧化胁迫会增加根和幼苗中的丙酮酸，而氧化还原依赖性TCA活性的抑制会提高乙酰辅酶A水平，减少ROS产生并增强组蛋白乙酰化。此外，琥珀酸脱氢酶（SDH；复合体II）连接TCA循环和电子传递链（ETC），将电子从琥珀酸传递给泛醌库，并生成延胡索酸和FADH₂。NADH脱氢酶（复合体I）和复合体II被发现受NAD⁺依赖性sirtuins调控，后者通过去乙酰化ETC组分来调节呼吸作用和ROS输出。

对沉默信息调节因子2（SIR2/SIRT-like proteins，也称为sirtuins）的研究为了解植物生命周期中组蛋白修饰与代谢之间的联系提供了重要信息。作为NAD⁺依赖性酶，其活性受NAD⁺波动的影响。在盐胁迫下，OsSRT1的过表达显示出增强的氧化胁迫耐受性，而RNAi敲低则增加了H3K9ac并减少了H3K9me2。这种拮抗关系导致H₂O₂积累、DNA断裂甚至细胞死亡。这意味着OsSRT1可以通过表观遗传机制改变氧化还原相关基因的表达。SIR2s通过其去乙酰化功能调节若干生物过程，并对能量代谢（如糖酵解）产生影响。胁迫诱导的糖酵解通量增强可能降低NAD⁺/NADH比率，潜在地降低SRT1活性。GAPDH在催化过程中将NAD⁺还原为NADH，在植物中存在多种同工型，定位于细胞质和细胞核；其在核内的积累在胁迫下增加，表明其作为协调代谢与转录的氧化还原传感器的角色。在水稻中，OsSRT1通过组蛋白去乙酰化和GAPDH的赖氨酸去乙酰化抑制糖酵解基因表达。这些发现表明SRT1在通过糖酵解基因连接能量代谢方面具有潜在作用。

组蛋白甲基化代表了植物中另一种主要的表观遗传修饰，其调控也与细胞代谢紧密相连。虽然组蛋白乙酰化与乙酰辅酶A和NAD⁺代谢紧密耦合，但组蛋白甲基化则取决于S-腺苷甲硫氨酸（SAM）的可用性和氧化还原敏感的脱甲基酶。组蛋白甲基化由组蛋白甲基转移酶（HMTs）催化，并由组蛋白去甲基酶（HDMs）去除，是研究最深入的组蛋白修饰类型之一。从机制上讲，HMT和DNA甲基转移酶（DNMT）酶具有相似的催化特性，因为两者都使用SAM作为甲基供体。SAM积累依赖于叶酸；然而，谷胱甘肽（GSH）在胁迫条件下作为表观遗传调节剂，通过控制氧化负荷和表观遗传来影响SAM合成所涉及酶的抑制，从而影响SAM的合成。在哺乳动物中，组蛋白H3被证明在Cys110处发生S-谷胱甘肽化，产生松弛的染色质状态。尽管在植物中缺乏直接的实验证实，但相关性证据表明存在类似的氧化还原响应机制。相应地，沉默在ABA信号中起作用的<