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2022年8月4日 理化学研究所 从分化细胞再生植物体-弄清楚分化的细胞重编程的机制-理化学研究所(理研)环境资源科学研究中心细胞功能研究小组的坂本优希研修生(东京大学研究生院理学系研究科博士课程)、杉本庆子领队(东京大学研究生院理学系研究科教授)、中部大学的铃木孝征教授、前岛正义教授、基础生物学研究所的濑上绍嗣助教等国际共同研究小组，阐明了一旦完成分化的植物细胞发生重编程[1]，使植物体再生的结构。本研究成果关系到使用组织培养技术的植物资源增产和使用基因组编辑[2]的品种改良的效率化，可以期待为可持续的食品供给和生物量生产做出贡献。 此次，国际共同研究小组发现，为了使分化后的细胞重新编程并重新开始分裂，需要重新产生植物激素生长素[3]。 另外，研究人员还表明，此时编码生长素生物合成酶的基因的表达会通过遗传[4]机制上升。 此外，研究人员还发现，生长素的合成可以提高细胞对生长素的响应性，并诱导细胞分裂所需基因的表达。 本研究刊登在科学杂志《The Plant Cell》在线版( 8月4日:日本时间8月4日)上。 背景 植物的体细胞在完全分化后也能发生重编程，通过细胞分裂和细胞分化再生完整的植物个体(图1 )。 这是一个重要的知识，表明植物细胞在分化完成后仍保留着分化全能性[5]，但迄今为止，鲜有研究试图阐明其机制。 杉本庆子小组组长们到目前为止对植物再生新器官的结构进行了研究，明确了在转录水平上控制植物细胞重编程的结构注1-4 )、明确了在表观遗传水平上进行控制的结构注5、6 )等，率先在世界上发表了重要的成果。迄今为止，以弄清植物再生的分子途径为目标的国内外研究，大多是利用了植物组织内分裂能力较高的细胞和组织。 这次，国际共同研究小组分离了分化加剧的细胞，重新确立了由一个分化细胞再生的高再现性实验体系，并致力于其结构的阐明。
 图1分化的体细胞重编程，反复细胞增殖直至再生植物个体的过程 将通过酶处理从成熟叶中分离出的原生质体在含有生长素和细胞分裂素的培养液中生长后，细胞分裂再次开始，经过愈伤组织的形成，植物体再生。 光栅尺从左开始为25μm、10μm、100μm、1mm。 从分化细胞重编程，预计会伴随着动态的基因表达变动。 因此，我们研究了改变染色质结构[9]使基因表达活性化的组蛋白H3蛋白质[10]乙酰化的参与。 结果表明，通过乙酰基转移酶hag 1[11]、hag 3[11]、haf 1[11]发生的组蛋白乙酰化[12]在分化细胞上是必需的(图2 )。 图2组蛋白乙酰基转移酶抑制对分化细胞重编程的影响 通常，细胞重新开始分裂，形成愈伤组织(左图)。 组蛋白乙酰化受阻的细胞无法重新开始分裂，因此不会发生愈伤组织形成(右图)。 光栅尺为50μm。 接着，我们调查了组蛋白乙酰化诱导了什么样的基因的表达。 在处理抑制剂抑制组蛋白乙酰化和未处理的条件下，用RNA新一代序列法[13]分析基因表达变化，编码生长素生物合成酶YUCCA(YUC )[14]的基因的表达依赖于组蛋白乙酰化而上升。因此，通过调查YUC介导的生长素合成是否实际参与了分化细胞的重编程，发现在细胞重新开始分裂之前合成新的生长素是特别重要的。 另外，生长素合成可以提高细胞对生长素的应答。
根据不处理抑制剂正常条件下细胞周期[15]相关基因的表达变化，预测刚分离后的叶肉原生质体处于细胞分裂周期的G1期，在开始培养几天内转入ίԱ期后，继续进入G2/M期。 有趣的是，即使药剂阻碍生长素合成，在ίԱ期看到的基因表达也没有大的变化，另一方面，G2/M期基因的表达被明显抑制了。 由此表明，新产生的生长素特别是为了诱导G2/M期基因的表达而必需。
已知被称为AUXIN RESPONSE FACTOR(ARF )[16]的转录因子[17]参与调控响应生长素的基因表达。 拟南芥有23种ARF，其中原生质体合成的生长素是表达ARF7和ARF19所必需的。 还发现这些ARF通过上调编码myb3r4[18]的基因的表达，该MYB3R4[18]是调控G2/M期基因表达的主调节[17]之一，发现其诱导了其调控下的近200个G2/M期基因的表达(图3 )。 图3组蛋白乙酰化介导的分化细胞重编程机制 组蛋白乙酰化导致生长素生物合成酶YUC1表达上调，细胞内生长素应答增强，从而激活ARF7和ARF19转录因子。 结果，细胞周期调控的主调节器之一MYB3R4的表达上升，其调控下的G2/M期特异性基因(约200个)被表达，细胞分裂重新开始。 今后的期待 本研究表明，为了使分化后的植物细胞发生重编程，重新开始细胞分裂，需要在细胞内重新产生生长素。 在正常的发生过程中，分裂暂时结束，分化的细胞不会重新开始分裂，但在原生质体这一特殊的细胞环境下发生的组蛋白乙酰化会使染色质结构发生变化，生长素生物合成基因开始表达，可以认为重新开始分裂所需的细胞周期因子会再次蓄积在细胞内。今后，如果通过人为地操作组蛋白的乙酰化水平，使细胞内的生长素量上升，能够从其他植物种类的分化细胞中诱导重编程，可以期待使用组织培养技术的植物资源增产和使用基因组编辑的品种改良变得更有效率。本研究成果是联合国2016年制定的17个项目“可持续发展目标( SDGs )[19]中的“2 .杜绝饥饿”和“15 .保护陆地丰富性”的巨大贡献。补充说明 1 .重编程 分化的体细胞改变发生命运。 严格的定义是，分化的细胞在发生过程中所获得的表观遗传修饰被初始化，转变为具有分化多能性的干细胞。但最近，细胞的去分化、再分化、多将分化细胞向其他分化细胞的转换(直接编程)等统称使用。 2 .基因组编辑 指人为改变生物基因组DNA上特定碱基序列的操作。 基因重组操作是将外来的基因导入细胞并附加新的形式质的操作，而基因组编辑是使细胞本来就有的DNA在细胞内部发生变化的操作，这是其特征。 3 .生长素、细胞分裂素 都是植物激素的一种。 植物激素是由植物产生的低浓度调节植物生理过程的生长调节物质。 生长素通过促进细胞伸长促进植物生长，是植物一生各种场景中重要的植物激素。 细胞分裂素还被定义为生长素存在下促进细胞分裂和茎叶形成的一组因子。 4 .表观遗传学 近年来，研究人员发现，由于DNA的甲基化和DNA缠绕的组蛋白质的化学修饰(甲基化和乙酰化等)，基因表达的容易度发生了变化，且其状态被细胞分裂后的女儿细胞和根据情况的不同被下一代所继承。 这种研究不依赖于作为基因主体的DNA的碱基(A、T、G、C）的排列方式的变化而发生的基因表达的控制和传递的研究领域被称为表观遗传学( epi-后生的，genetics-遗传学)。 表观遗传学是一个使用形容词用法的词，专门表示受DNA甲基化和组蛋白修饰支配的基因表达的调控状态。 5 .分化全能性 一个细胞可以分化为构成个体的所有细胞种类的潜能。 受精卵具有分化全能性。 在植物细胞中，从叶肉细胞的原生质体和花粉的细胞中也可以经过细胞分裂活化而再生个体，所以即使是完成了分化的细胞也可以发挥分化全能性。 6 .拟南芥 是十字花科的植物，是因“荠菜”而闻名的荠菜的近亲。 由于所携带的基因总量较少，萌发开花采收时间较短，已成为植物模式生物(用于解释普遍生命现象的代表性生物)之一。 2000年，作为植物，全基因组首次被解读。 7 .叶肉细胞 指叶子上下表皮组织之间的柔细胞。 一般在被子植物中，主要形成栅状组织(向轴侧)及海绵状组织(背轴侧)。 是具有发达的叶绿体和液泡的分化细胞，作为叶子的光合器官起着重要的作用。 8 .原生质体 在日语中叫做原生质体，是指从植物细胞中除去了覆盖在其外侧的细胞壁后露出的细胞。 在实验中，将植物组织浸入高渗透压的液体中，使细胞壁和原形质(细胞膜和细胞核，以及细胞质)分离，再用纤维素酶等细胞壁分解酶进行处理后得到。 因为没有细胞壁，所以不耐物理应力，稍微的冲击和渗透压变化就会破坏。 使用该原生质体，可以进行细胞融合和外来基因的导入等细胞工程学上的重要操作。 9 .染色质结构 为了将大量的遗传信息收纳在小细胞核中，需要紧凑地收纳DNA。 DNA缠绕在组蛋白蛋白质上的叫做核小体，该核小体进一步凝聚的就是染色质。 染色质凝集强的情况下，转录因子等无法与DNA结合，无法调节基因的表达，但凝集弱的状态下，DNA容易受到各种因素的影响。 这样，我们知道染色质结构不仅是为了包装DNA，还参与基因的表达调控。 10 .组蛋白H3蛋白质 缠绕DNA并收纳在细胞核中的蛋白质质的一种。 组蛋白中，作为中心的有H2A、H2B、H3、H4这4种。 H2A和H2B、H3和H4结合后进一步结合形成8聚体，缠绕DNA。 组蛋白H3蛋白质受到甲基化、乙酰化等化学修饰，其对基因表达等产生影响的情况逐渐变得清晰起来。 11.HAG1、HAG3、HAF1 对组蛋白进行乙酰化修饰的组蛋白乙酰化酶( histone acetyltransferase:HAT )的一种。 在拟南芥中，发现了包括HAG1、HAG3、HAF1在内的全部12种组蛋白乙酰化酶。 12 .组蛋白乙酰化 组蛋白被乙酰基加成的组蛋白修饰。 一般认为，组蛋白乙酰化发生后，组蛋白与DNA之间的电结合变弱，染色质结构松弛。 其结果，转录因子等各种因子容易访问DNA，基因的表达等得到控制。 相反，当组蛋白发生脱乙酰化(除去乙酰化)时，染色质结构凝结，基因表达控制受到抑制。 13.RNA新一代序列法 利用新一代序列发生器，全面掌握在某个细胞、组织中表达的基因种类和表达量的方法。 提取RNA后，通过读取转换成互补DNA的序列，估算基因组中哪里的序列被转录了多少。 14.YUCCA(YUC ) 一种以黄素和NADPH/NADH为辅酶的氧化还原酶(黄素单加氧酶)，由吲哚-3-丙酮酸制备生长素吲哚-3-乙酸( IAA )。 在拟南芥中，共发现了11种YUCCA基因。 15 .细胞周期 真核生物中分裂后的一个细胞又分裂成两个女儿细胞而增加的一系列现象。 显微镜下观察可分为间期( G1期、ίԱ期、G2期)和有丝分裂期即Ӧ期。 细胞周期绕G1、ίԱ、G2、Ӧ周期一周。 停止增殖时进入静止期( G0 )。 16.AUXIN RESPONSE FACTOR(ARF ) 负责响应生长素的基因转录变化的一组转录因子。 在拟南芥中发现了23种ARF基因。 响应生长素而改变表达的基因上游有一个称为生长素应答序列( auxin response element:AuxRE )的碱基序列，ARF蛋白质与该AuxRE结合，激活或抑制基因表达。 17 .转录因子、主调节器 转录因子是与特定的DNA序列结合，控制基因表达的一组蛋白质质。 比喻为基因表达开关，促进基因表达的称为转录激活因子，抑制基因表达的称为转录抑制因子。 主调节因子是指在这类转录因子中，对下游多个基因的表达起共同调控作用的因子。 18.MYB3R4 一种转录因子，为R1R2R3-Myb型蛋白质。 与类似转录因子MYB3R1一起，负责细胞周期中在相当于分裂前期及分裂期的G2/M期特异性表达的各种基因的表达和活化。 由于在缺失MYB3R4和MYB3R1两者的拟南芥突变体中，在上游具有被称为mitosis-specific activator(MSA )基序的碱基序列的大多数基因已不能表达，MYB3R4可能与MYB3R1一起通过该MSA调控G2/M期特异性基因表达。19 .可持续发展目标( SDGs ) 2015年9月联合国峰会通过的《可持续发展2030议程》所载2016-2030年国际目标。 由实现可持续世界的17个终点、169个目标构成，不仅是发展中国家，发达国家自身也在努力实现通用(普遍)，日本也在积极地努力(从外务省主页进行了一部分变更后转载)。 国际联合研究组 理化研究所环境资源科学研究中心细胞功能研究小组 研修生坂本优希 (东京大学研究生院理学系研究科博士课程) 技术人员ⅱ河村彩子(河村彩子) 队长杉本庆子(杉本庆子) (东京大学研究生院理学系研究科教授) 中部大学应用生物系 教授铃木孝征(铃木孝征) 教授前岛正义 基础生物学研究所生物进化研究部门 助教濑上绍嗣 VIB-UGent植物系统生物学中心 博士生(当时)斯蒂芬妮·波林( Stefanie Polyn ) 领队本·德维尔德( Lieven De Veyder ) 研究支援 本研究是日本学术振兴会( JSPS )科学研究费资助事业基础研究( )“控制植物器官再生的分子机构(研究代表者:杉本庆子)”、 该学术变革领域研究(ο)“支持植物对不均一环境变动的注册力的多层信息支配的分子机构”的研究课题“支持植物的环境注册力的伤害修复机构(研究代表者:杉本庆子)”，该特别研究员奖励费“使用拟南芥叶肉原生质进行细胞分化可塑性的机制分析(细胞分化可塑性) 原论文信息Yuki Sakamoto, Ayako Kawamura, Takamasa Suzuki, Shoji Segami, Masayoshi Maeshima, Stefanie Polyn, Lieven De Veylder, Keiko Sugimoto, "Transcriptional activation of auxin biosynthesis drives developmental reprogramming of differentiated cells", The Plant Cell, 10.1093/plcell/koac218 主讲人 理化研究所 环境资源科学研究中心细胞功能研究小组 研修生坂本优希 (东京大学研究生院理学系研究科博士课程) 队长杉本庆子 (东京大学研究生院理学系研究科教授) 中部大学应用生物系 教授铃木孝征 教授前岛正义 基础生物学研究所生物进化研究部门 助教濑上绍嗣 新闻发言人 理化研究所宣传室新闻发言人 东京大学研究生院理学研究科理学部宣传室新闻负责人 Email: kouhou.s [at] gs.mail.u-tokyo.ac.jp 中部大学学园宣传部宣传科新闻负责人 email:Cu info[at]office.chubu.AC.jp 基础生物学研究所宣传室新闻发言人 email:press[at]nibb.AC.jp ※请将上述[at]替换为@。 |
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