eLife ：约翰英纳斯中心冯小琦课题组揭示拟南芥花粉营养细胞中转座子激活的机制

来源：BioArt植物

世代交替是植物区别于动物的特有生命现象，也是植物生存繁衍的基础之一。植物的生殖细胞（配子）存在于后天发育而来的特殊结构—配子体当中，植物的花粉即是雄配子体。花粉可看作是一个三细胞的结构，通常包含两个精细胞以及一个营养细胞（核），精细胞负责最终和雌配子体（胚珠）当中的卵细胞和中央细胞分别受精（双受精）进而发育成胚胎和胚乳，而营养细胞核则作为花粉管结构的指挥中心，其遗传物质不会传递给下一代。神奇之处在于精细胞和营养细胞核来源于同一个单倍体的小孢子（细胞），后者经过一次非对称的有丝分裂即形成了精细胞和营养细胞，它们具有截然不同的命运，同时在细胞学上，精细胞核高度凝缩聚集，而营养细胞核则呈现扩散及松散的状态。是什么因素决定并维持了精细胞和营养细胞的命运？其高度差异的染色质（细胞核）状态到底对植物意味着什么？这一直是植物生殖生物学领域非常有趣且可能是重要的生物学问题。

近10年来，围绕这些问题，最引人注目的研究可能来自于美国冷泉港实验室（The Cold Spring Harbor Laboratory）Robert. A. Martienssen教授实验室和约翰英纳斯中心 (John Innes Centre) Daniel Zilberman教授实验室。他们的工作报道了植物雄配子体中的营养细胞核存在表观遗传修饰 (DNA甲基化) 的大规模擦除、异染色质特征的消失及转座子的激活，与之相反，精细胞的异染色质及表观修饰得以较好的维持。这与哺乳动物精子中存在的表观修饰擦除机制存在很大差异。那么转座子为何要在不能遗传给后代的营养细胞核中激活呢？作者提出假说，转座子的表达可能产生小干扰RNA，经由细胞间的连接转运进入精细胞 (及胚胎)，从而促进精细胞（及胚胎）内异染色质状态的稳定维持。

Zilberman实验室2012年Science文章中提出营养核中的表观修饰擦除是由于DME（DEMETER）蛋白介导的DNA去甲基化导致的。DME为何能够在营养细胞核中发挥作用成为一个非常有趣的问题？英国约翰英纳斯中心冯小琦实验室的几个工作为这一问题提供了很好的解答。在其实验室2016年PNAS的工作中发现linker histone H1在营养细胞核中存在缺失。而H1之前已有报道在动物细胞中和异染色质的维持存在紧密关联。那么H1的缺失与异染色质去浓缩及转座子激活间是否存在因果关系？2019年6月，冯小琦实验室发表在eLife上的工作回答了这一问题。该论文的第一作者是赫圣博（也是上述PNAS的共同一作），Martin Vickers和张静懿也参与了这一工作。

该工作首先通过RNA-seq鉴定了何种类型的转座子在营养细胞中表达，发现主要是异染色质转座子得到了激活。DNA甲基化分析以及dme突变体花粉RNA-seq证实了DME介导的DNA去甲基化在营养细胞中激活这些转座子的表达。通过营养细胞核特异启动子驱动表达H1，发现主要导致位于异染色质区域的DME靶点的甲基化的升高，而不影响真染色质DME靶点的甲基化。这些结果暗示H1的缺失为DME发挥作用提供了前提。

进一步发现，H1可通过DNA甲基化依赖和非依赖的方式来促进转座子的沉默，表明H1的作用并不局限在影响DME，暗示植物H1可能通过促进异染色质浓缩直接抑制转座子激活。

为了证明植物H1与异染色质浓缩的关系，作者首先通过免疫荧光技术观察到体细胞中H1主要定位于异染色质区域；高度浓缩的异染色质中心在h1突变体中变得异常松散。这些结果首次显示H1对于植物细胞的异染色质浓缩是必须的。

最为有趣的是，H1在花粉营养核的表达虽然能够提高甲基化水平，但不足以引起细胞学上可见的异染色质凝缩重建。而把H1的表达提前到花粉发育的更早期可以在一定程度观察到异染色质中心的重建。对花粉发育过程中染色质状态的观察，显示从早期小孢子到晚期小孢子再到营养细胞核，异染色质逐渐变得疏松，暗示营养细胞核中异染色质状态的丢失是一个复杂的，多因素控制的，渐变的过程。H1的表达在花粉发育中的动态变化与异染色质的动态变化表现出相关性。一个值得探索的方向是，哪些因子协助H1浓缩异染色质。另外，回到H1与DME的关系上，H1的缺失究竟如何帮助了DME被招募到异染色质区域? 我们期待在未来能知道更多的答案。

营养细胞中 TE 激活的4中机制

目前对于植物H1的功能仍知之甚少，这篇文章加深了人们对植物H1功能的理解。Zilberman实验室对于H1的研究表明H1在体细胞中通过阻碍DNA甲基转移酶从而抑制DNA甲基化，这篇eLife文章发现在生殖细胞的伴侣细胞（也称为营养细胞）中，H1通过阻碍DNA去甲基化酶从而抑制DNA去甲基化，使人们认识到H1对于DNA甲基化调控的复杂性。本文也显示了花粉发育过程是研究H1功能以及染色质高级结构调控机理的很好的模型。

论文原文链接：

https://elifesciences.org/articles/42530