一对DNA元件和调节蛋白使植物干细胞产生气孔

　　

   

   

图片:在气孔发育过程中，由两种不同的DNA序列(顺式因子)和转录因子(反式因子)引起的基因组状态物理变化导致干细胞分化的示意图模型。    

来源:Issey Takahashi

日本名古屋大学、德克萨斯大学奥斯汀分校和华盛顿大学的研究人员阐明了一种机制，这种机制使微小的植物干细胞注定会产生气孔，植物的细胞阀门，促进全球碳循环。

就像我们自己的细胞，如神经元和肌肉纤维，植物产生具有特殊功能的细胞。其中一种细胞类型是气孔(气孔的复数)——一对包围气孔的保护细胞，用于有效地交换二氧化碳和氧气。气孔调节水蒸气的释放，以防止植物枯萎。在双叶的发育过程中，包括模式植物拟南芥的发育过程中，气孔干细胞不断涌现，每个干细胞最终都成为气孔保护细胞。

科学家们知道气孔的主要调控转录因子的身份，这是一种与DNA结合并调节许多基因表达以形成气孔的蛋白质。它们包括无言和无言，两个“姐妹”主调控因子，顺序启动和终止气孔的干细胞状态。然而，一个巨大的谜团仍然存在:这些主调控因子如何与干细胞的实际基因组状态协调，从而改变它们的命运?

在一篇发表于自然植物2022年12月15日，研究人员报告了气孔发育过程中基因组状态的全基因组图谱(称为染色质可及性)。在真核细胞的细胞核中，基因组DNA与组蛋白捆绑在一起，组蛋白是一种被称为染色质的复合物。转录因子可以进入“开放染色质区”，这是基因表达活动发生的地方。

使用一种称为atac测序的技术，对气孔发育过程中可达染色质的全基因组分析显示，主要的重编程发生在干细胞增殖到分化的点。研究人员还发现，两种DNA编码(称为顺式调控元件)在早期气孔谱系中高度富集:E-box，被称为bHLH蛋白的转录因子结合的地方，以及ga -repeats，被称为BPCs的转录因子在植物中结合的地方。

这两个DNA密码的意义是什么?无言的和无言的，两个依次作用的调控主，是bHLH蛋白，它们结合在这些电子盒上。研究人员进一步发现，MUTE(而不是无言)与BPCs(与ga -重复序列结合)强烈结合。其他科学家已经证明，BPCs招募酶，将抑制标记“标记”到染色质上。然而，目前的研究表明，在干细胞分化过程中，MUTE与BPCs结合，然后引入染色质修饰剂，建立抑制性染色质环境，从而锁定分化的基因组状态。

“我们非常惊讶和兴奋，”资深作者鸟居惠子(Keiko Torii)教授说。“我们对染色质可及性的全基因组调查告诉我们，为什么植物利用姐妹主调控因子无言和无言是重要的。它们具有相似但相反的作用，一个启动和维持气孔干细胞状态，另一个终止气孔干细胞状态。现在我们知道其中只有一种——MUTE——可以引入BPCs来改变染色质状态。这意味着两种不同类型的转录因子和两种不同类型的DNA元件共同作用来锁定植物细胞的命运。我们的发现扩展了不同类型的细胞是如何形成的。”

文章标题

Dynamic chromatin accessibility deploys heterotypic cis/trans-acting factors driving stomatal cell-fate commitment