In yeast and animals, tri- and di-methylation of histone H3 at lysine 4 (H3K4me3/2) are markers of transcriptionally active genes that have recently been shown to be the primary ligands for the plant homeodomain (PHD) finger. However, PHD fingers able to bind to H3K4me3/2 have not been identified in plants. Here, I identify 83 canonical PHD fingers in the Arabidopsis proteome database that are supported by both SMART and Pfam prediction. Among these, In vitro binding experiments showed that PHD fingers of Arabidopsis ING homologue (AtING) and alfin1-like (AL) proteins were able to bind to H3K4me3/2, of which predicted tertiary structures are highly similar to those in human ING2 and BPTF.
ING proteins are found in all eukaryotes including yeast, animals, and plants, whereas AL proteins exist only in plants. In addition, mutational analysis confirmed that a predicted aromatic cage and a specific conserved acidic residue are both crucial for binding to H3K4me3/2. I also demonstrated that AtING and AL proteins are nuclear proteins expressed in various tissues of the Arabidopsis plant. Finally, physiological studies using T-DNA knock-out plants showed that AL proteins might play role in salt stress signaling, which is reported in alfalfa alfin1 studies. Thus, I propose that ING and AL proteins are nuclear proteins that are involved in chromatin regulation by binding to H3K4me3/2, the active histone markers, in plants.
히스톤 H3의 4번 라이신기의 이메틸화 또는 삼메틸화는, 효모, 동물, 식물 등의 진핵생물에서 활발히 발현되는 유전자 부위에 집중적으로 존재하는 히스톤 표지이다. 최근의 연구에서 많은 수의 plant homeodomain (PHD) finger 도메인을 가진 단백질들이 이 히스톤 표지와 결합하는 것으로 알려졌으나 식물에서는 그와 같은 바가 연구되지 않았다. 본 연구에서는 pfam 과 SMART 프로그램을 이용, 애기장대의 단백질체에서 PHD finger를 가진 단백질을 선별하여 후보군을 정하고 이들이 각각 4번 라이신기가 이메틸화 또는 삼메틸화된 히스톤 H3 와 결합하는지를 확인하였다. 그 결과 애기장대의 ING homologue 인 AtING 그룹과 식물에서만 발견되는 식물특이적 유전자인 AL (Alfin1-like) 그룹의 PHD finger 가 이/삼메틸화된 H3 4번 라이신을 선택적으로 인지하는 것을 확인하였다. 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 계산된 이 PHD finger 의 구조는 이제까지 ING 와 BPTF 의 PHD finger에서 연구된 구조와 동일한 특징을 가지고 있었는데, 첫째, 3-4개의 방향족 아미노산으로 이루어진 우리 (cage)를 가지고 있고, 둘째 H3의 2번 아르기닌을 인지하는 아미노산을 가지고 있다. AtING와 AL 그룹의 단백질들은 모두 핵단백질임을 밝혔으며 또한 애기장대의 모든 조직에서 골고루 발현되는 유전자임을 밝혔다. AtING 그룹과 AL 그룹의 유전자들이 제거된 돌연변이에 대한 생리적 연구 결과, AtING1이 제거된 돌연변이는 번식력이 떨어지고 약간의 생장 저해가 관찰되었다. AL 유전자가 제거된 돌연변이들은 염분에 대한 저항성이 변화하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 식물에서 최초로 이/삼메틸화 H3 4번 라이신을 인지하는 PHD finger 단백질 그룹을 확인하였고, 이 중 AtING1은 생식에 관여된 역할을 하고 있으며 반면 AL 그룹은 염분에 대한 신호 전달에 관여하고 있다는 결론을 내렸다.
