近日，PNAS在线发表了前沿交叉学科研究院生物学研究中心程道军、夏庆友等完成的最新成果“Histone H3K27 methylation-mediated repression of Hairy regulates insect developmental transition by modulating ecdysone biosynthesis”。该研究以家蚕和果蝇为模式，系统揭示了H3K27me3修饰对昆虫激素互作及变态发育的调控作用与分子机理，建立了昆虫变态发育的表观遗传调控新机制。

      家蚕和果蝇等昆虫的变态发育主要受两大内分泌激素即保幼激素（juvenile hormone，JH）和蜕皮激素（20-hydroxyecdysone，20E）的协同调控，JH由咽侧体合成分泌，维持幼虫生长状态；20E由前胸腺合成分泌，其作用主要在于负责幼虫蜕皮以及幼虫向蛹的变态发育转变。课题组之前的研究发现，JH可以直接作用于前胸腺，进而通过抑制20E的合成来实现两类激素对昆虫变态发育的拮抗调节作用（PNAS，2018），但具体的分子作用机制有待深入探究。

      组蛋白是染色质的核心组成部分，组蛋白的甲基化、乙酰化等表观遗传修饰主要通过调节染色质结构来影响基因表达，进而调控动植物的各种生物学过程。其中，组蛋白H3第27位赖氨酸三甲基化修饰（H3K27me3）被证明参与调节了昆虫胚胎期的体节发生、成虫寿命以及蛹期唾液腺的降解等生理过程。H3K27me3修饰由组蛋白甲基化酶复合体PRC2催化发生，其作用在于引起染色质结构浓缩进而抑制基因转录。但是，H3K27me3修饰是否参与调节昆虫变态发育及激素信号通路目前尚不清楚。

      在本研究中，研究人员首先在家蚕中发现，前胸腺中H3K27me3的水平随幼虫生长发育而呈现动态变化，与20E合成水平的变化趋势类似；用组蛋白甲基化酶特异抑制剂GSK126处理幼虫个体，降低了前胸腺中的H3K27me3水平，抑制了20E合成并延迟了幼虫向蛹的转变。同样，在果蝇前胸腺中对PRC2核心成员Su(z)12的表达进行RNAi也导致化蛹受阻并减少20E合成，而添食20E可以挽救化蛹受阻的异常表型。

      研究人员进一步探究了H3K27me3修饰的分子作用机制，主要获得了三方面证据：（1）利用H3K27me3抗体对家蚕前胸腺组织进行ChIP-seq分析发现，JH信号转导关键分子Hairy是H3K27me3标记的靶基因；基于GSK126处理或Su(z)12的RNAi来干扰PRC2活性，明显降低了Hairy基因的H3K27me3水平，并上调了Hairy表达。（2）通过遗传操作降低前胸腺中的Hairy表达可以促进20E合成并使化蛹提前，过表达Hairy则减少20E合成并阻碍化蛹；前胸腺中Hairy基因的RNAi能挽救Su(z)12基因RNAi所导致的蛹变态发育阻滞表型。（3）JH处理抑制了前胸腺中PRC2复合物各组分的表达，降低了H3K27me3水平。综上，本研究证实H3K27me3修饰通过解除JH对20E合成的抑制作用来调控昆虫幼虫向蛹的发育转变，揭示了昆虫变态发育的表观遗传调控新机制，也为家蚕发育性状的遗传操作以及农林害虫的生物防治提供了潜在靶标。

      博士生杨燕和赵土敬为论文共同第一作者，程道军教授和夏庆友教授为论文通讯作者。该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。

      论文链接：https://www.pnas.org/content/118/35/e2101442118