染色质动态变化调节气孔细胞发育的分子机制

多细胞生物体中特化细胞类型的分化需要细胞状态特异性的动态基因表达程序，该程序由顺式作用调节 DNA 元件 (CRE) 和反式作用因子（如转录因子 (TF)）控制。通过高通量测序分析转座酶可及染色质 (ATAC-seq) 等技术对可及染色质进行全基因组鉴定，揭示了可能表示特定发育状态的CRE组合。与哺乳动物模型相反，之前对植物的研究未能证明染色质开放性和基因表达之间存在很强的相关性，这使我们对染色质可及性在细胞类型分化过程中的作用的理解存在空白。尽管研究报告了植物和动物中差异可及的 CRE ，但这些基序和转录因子如何相互影响基因表达以驱动细胞命运决定仍未解决。

用于有效气体交换和水控制的微观阀门—植物表皮气孔，已经成为研究植物中谱系特异性细胞类型的从头启动和分化的模型。bHLH TF 家族：SPEECHLESS (SPCH)、MUTE 和 FAMA，通过与伴侣 bHLH、SCREAM (SCRM) 形成异二聚体，分别依次驱动气孔谱系细胞的起始/增殖、定型和终端分化。之前的研究已经提供了它们的直接靶基因以及特定气孔谱系细胞状态下的转录组序列。然而，尚不清楚表观基因组状态和气孔转录因子如何相互作用以在气孔细胞谱系转变期间实现细胞命运承诺。

2022年12月15日，Nature Plants在线发表了一篇题为“Dynamic chromatin accessibility deploys heterotypic cis/trans-acting factors driving stomatal cell-fate commitment”的研究论文。作者阐明了细胞状态特异性异型TF复合物通过关键co-CREs招募染色质修饰剂促进细胞命运承诺的机制。

在本研究中，作者揭示了气孔细胞谱系发展过程中染色质可及性动态，并发现了顺式调控编码的机制。整合SPCH和MUTE的完整ATAC-seq和ChIP-seq揭示了BBR/BPC (GAGA重复)和bHLH (E-box)基序作为早期谱系co-CREs。作者通过采用分子遗传、生化和生物物理定量TF-TF和TF-DNA相互作用分析的多种方法，证明了bHLH异源二聚体MUTE-SCRM，与BPC1/2合作以实现细胞命运承诺。

尽管在早期气孔谱系中染色质可达性和SPCH/MUTE结合位点在很大程度上相似，但作者在实验中发现，核心TF复合物发生了剧烈变化。在增殖过程中，BPCs与SPCH- SCRM的微小关联可能允许SPCH与E-box结合并激活不对称增殖分裂的下游基因表达。在致力于分化的过程中，BPCs与MUTE-SCRM的紧密异型相互作用可能会将这种bHLH异源二聚体引导到所需基因组位置的BBR/BPC基序，由染色质可及性控制，从而促进基因表达程序顺利过渡到GMC状态。

已知BPCs招募PRC2以沉积抑制性组蛋白标记。作者认为这些BPC介导的表观基因组变化锁定了气孔分化的途径。事实上，BPC1/2对于SPCH位点内H3K27me3的沉积是必要和充分的。这与之前的研究结果一致，即H3K27me3标记的调控异常与气孔保护细胞重编程相关。气孔谱系染色质可接近位点在承诺期或之后发生重大重组。因此，BPC1/2-MUTE介导的表观基因组变化可能是全基因组染色质重塑的结果。作者研究表明，及时上调MUTE可能是最终驱动表观基因组景观向气孔分化转变的关键。先前的分子遗传学研究表明HD-ZIP IV家族和其他候选转录因子在促进MUTE表达中的作用。然而，其直接作用机制仍未被探索。在染色质修饰剂的作用下，异型TF基团的差异作用如何调控发育进程，这是未来需要解决进一步探索的问题。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-022-01304-w

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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