陈钟课题组发现组蛋白H3替换有助于植物再生中的基因转录重编程学术资讯

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植物有非常强大的再生能力，植物在遭受冻害、火灾、病虫侵害、草食性动物取食等情况下丢失或死去一部分组织器官后，能再生失掉的组织器官，这对植物的生存和繁衍具有重要意义。植物的再生能力也是多项农业技术应用如组织培养、扦插、嫁接等技术的生物学基础，在农业、林业和植物保护等产业中具有重大意义。

植物的再生过程依赖于分生组织中具有多能性的干细胞。多种再生过程的中间环节涉及愈伤的形成；愈伤细胞被认为是一类多能性细胞；损伤部位的细胞通过去分化获得全能性或多能性，重新进入细胞周期，进行增殖和再分化，最终形成新的器官和组织。这种细胞命运重编程的过程可能涉及到基因组水平的转录重编程；研究表明多种表观遗传调控机制参与到植物再生中的细胞命运重编程，包括DNA甲基化，组蛋白修饰等【1】。

近日，新加坡南洋理工大学陈钟课题组在Development上发表了一篇题为“The atypical histone variant H3.15 promotes callus formation in Arabidopsis thaliana”的研究论文，揭示了拟南芥再生过程中，组蛋白变体H3.15通过替换常规组蛋白H3，降低PRC2介导的H3K27me3抑制标记，进而促进愈伤形成的新的表观遗传机制。

拟南芥组蛋白H3编码基因家族有15个成员，分别是HTR1-HTR15。其中，HTR1，HTR2，HTR3，HTR9和HTR13编码H3.1，HTR4，HTR5和HTR8编码H3.3。另外类H3.3（H3.3-like）变体编码基因包括HTR6，HTR14和HTR15。该研究发现HTR15特异受机械损伤诱导表达，RT-qPCR基因表达分析结合报告基因株系表明HTR15特异表达于损伤部位的中柱鞘细胞以及损伤诱导的愈伤细胞中（图1）。

图1.HTR15表达于损伤部位的中柱鞘细胞。
在愈伤诱导培养基上诱导的愈伤再生过程中，HTR15也能够在外植体的中柱鞘细胞和愈伤细胞中特异表达。通过CRISPR敲除HTR15后，植物愈伤形成受到抑制；而过量表达HTR15后，愈伤形成受到促进，表明HTR15能够促进植物再生（图2）。

图2. H3.15促进机械损伤诱导的（A）和CIM诱导（B）的愈伤形成。
HTR15编码的组蛋白H3.15在多个氨基酸位点上与常规H3.1和H3.3变体存在变异，特别是在第27位点，H3.15缺少赖氨酸（K27）。免疫印迹分析表明HTR15过量表达株系的H3K27me3水平低于野生型。推测可能是H3.15嵌入核小体替换掉常规H3.1，从而导致H3K27me3水平下降。通过RT-qPCR筛选出若干H3.15下游的潜在靶基因，包括WOX11和LBDs等参与植物分生组织活动和植物发育的关键调控因子。以WOX11为例，进一步的免疫共沉淀（ChIP）分析显示在愈伤组织形成过程中，H3.15在WOX11基因位点的富集逐渐上升，同时H3K27me3在WOX11基因位点的富集水平逐渐下降，这暗示H3.15嵌入到靶基因位点，替换掉带有H3K27me3标记的组蛋白H3；因H3.15自身无法进行H3K27me3修饰，从而降低了靶基因位点的H3K27me3水平，进而通过解除H3K27me3对靶基因的抑制而促进植物再生（图3）。该研究为植物再生中细胞命运重编程的基因表达变化提供了一种新的调控机制【2】，加深了我们对植物如何维持再生能力的了解。

图3. H3.15参与调控愈伤形成的分子机制

参考文献：1.Kyounghee Lee and Pil Joon Seo (2018). Dynamic Epigenetic Changes during Plant Regeneration. Trends in Plant Science. 23(3):235-247.2.An Yan, Michael Borg, Frederic Berger, Zhong Chen (2020). The atypical histone variant H3.15 promotes callus formation in Arabidopsis thaliana. Development. doi: 10.1242/dev.184895

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