植物精子如何编码基因序列以外的东西

一项新的研究揭示了一种将表观遗传信息植入精子的机制。绒毡层护理细胞中产生小RNA，并驱动植物精子中所有新建立的DNA甲基化。

　　

 

   

CLSY3(与黄色荧光蛋白融合)在生殖细胞周围的绒毡层细胞中特异性表达。

遗传信息通过遗传密码、DNA和通过化学诱导的DNA修饰表观遗传方式从父母传递给后代。

约翰·英尼斯中心的一项新研究发现了一种调节这些修饰的机制，改变着遗传密码以外的信息代代相传的方式。

DNA甲基化，这些表观遗传修饰的一个例子，发生在甲基群或化学帽被添加到DNA中，开启或关闭一个或多个基因。

当种系(卵子和精子)细胞发育时，一些甲基标记将被重置，影响传递给下一代的信息。

这个过程在植物繁殖过程中是如何起作用的还不清楚。

这项激动人心的研究发表在《Science》杂志上，揭示了植物雄性生殖系DNA甲基化重编程的分子机制。

在植物的雄性生殖部位(花药)内，分裂产生精子的细胞(减数细胞)被滋养它们的细胞所包围。这些护理细胞被称为绒毡层细胞。

约翰·英尼斯中心的研究小组发现绒毡层细胞产生大量的小RNA分子，并观察到这是由一种名为CLSY3的蛋白质引起的，这种蛋白质专门存在于花药绒毡层细胞中。这些小RNA从绒毡层细胞转移到减数细胞。在这里，它们将新的甲基标记添加到具有相同DNA编码的转座子(不稳定的遗传元素)中。

“这一发现改变了我们对植物世代表观遗传的看法。由生殖系护理细胞产生的小RNA可以决定精子中的DNA甲基组。这些小RNA在确定遗传DNA甲基组中所起的关键作用表明了植物和动物生殖之间的趋同功能进化，”通讯作者Xiaoqi Feng博士说，他是约翰英尼斯中心的小组组长。

这种重新编程阻止了转座子在生殖细胞中跳跃，从而保护了两代植物之间基因组的完整性。

在减数分裂细胞中，这些小RNA也以类似的DNA序列作为源转座子的基因为目标，帮助控制基因表达和促进减数分裂，促进精子产生。

这些发现在植物和动物领域有广泛的应用，并为世界范围内研究表观遗传学的研究人员提供了重要的新线索。以前的研究表明，谷物作物，如玉米和水稻，有类似的绒毡层小RNA，然而，尚不清楚为什么这些小RNA对肥力和产量是重要的。这项研究产生的机制洞察力为研究指明了新的方向，并可能帮助开发生物技术来靶向商业作物的DNA甲基化。

联合第一作者Jincheng Long博士说:“我们的研究可能为作物生物技术开辟一条新途径。例如，通过小RNA的操纵，直接导致细胞的DNA甲基化，这直接有助于种子的形成和繁殖过程。”

这项研究在基础生物学方面也很重要，联合第一作者James Walker博士解释说，“我们的工作表明，父系表观遗传是由绒毡层细胞决定的，绒毡层细胞驱动的重编程规模在植物中是前所未有的。”

“我们的工作揭示的分子机制将我们对DNA从头甲基化的理解推向了一个新的水平，显示了新的甲基标记是如何在特定细胞的特定位置建立的。”

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Nurse cell-derived small RNAs define paternal epigenetic inheritance in Arabidopsis