植物干细胞调控的分子机制

植物干细胞调控的分子机制 摘要:植物干细胞位于茎尖分生组织区和根尖分生组织区，是植物胚后发育中新的器官产生的源泉。近几年，在干细胞及其周围组织区发现了一些与干细胞稳态维持有关的基因，这些基因产物与外源性信号(如生长素)一起组成复杂的调控网络控制植物的生长和发育。观遗传修饰作为控制基因表达的一种方式也对植物干细胞有重要的影响。该文介绍近几年植物干细胞分化调控的最新进展。 关键词:植物干细胞;基因调控;生长素;表观遗传 中图分类号:Q74 动物干细胞因其在疾病治疗、组织修复和动物克隆等方面的广泛应用一直是研究人员和公众关注的焦点[1]，相比之下，植物干细胞研究却门庭冷落。由于植物细胞具有全能性，植物干细胞的概念也一直存在争议。近几年的研究表明:在植物的茎尖分生组织(shoot apical meristem，.. SAM)和根尖分生组织(rootapical meristem，.. RAM)中，存在一群特殊的细胞，它们具有自我更新能力又能产生具有持续分裂能力的子细胞。这些特殊细胞是植物根、茎、叶和花等器官发生的源泉，因此被认为是植物干细胞[2,3]。与动物干细胞一样，植物干细胞的维持同样受到内源性信号和外源性信号的调控。 1. 植物干细胞的组织学特征 模式植物拟南芥的SAM 是一个半球状的穹型结构，由多个功能结构域组成[图1(A)]。干细胞位于分生组织的顶端中心区域，这个区域的细胞分裂不活跃。中心区域中干细胞分裂后产生两部分细胞，一部分仍然保留在中心区域的叫干细胞后裔(progeny ofstem cells)， 保持多潜能性，始终留守在原来位置，继承干细胞的衣钵;分裂出来的另一部分叫子细胞(daughter cells)， 随着干细胞的分裂逐渐脱离中心区域到分生组织周边区域(peripheral zone，PZ)，.. 在周边它们快速分裂并进行分化，融入分生组织两侧的器官原基中[4]。由此可见，SAM是不断改变的动态结构，干细胞群的维持依赖于周围组织细胞提供的各种外源性和内源性信号分子。在拟南芥的根尖分生组织中心，也有一群分裂缓慢的细胞，称为静止中心(quiescent center，QC)[图1(B)]。在胚胎发生中，QC的建立不是来自胚体，而是来自胚柄最上部的细胞。QC 细胞通过不对称分裂产生子细胞，子细胞或者保留QC细胞功能，或者取代邻近细胞。实质上直接从QC 衍生出来的细胞就是干细胞，它们能够产生根部特定的组织类型。研究拟南芥根的发育表明，RAM 中干细胞的维持受位置信息的影响[5]。当QC被切去后，邻近的细胞就发育成一个新的有功能的QC。QC释放信号分子以维持根尖干细胞局部微环境。 2. 植物干细胞调控的分子机制 2.1 WUS-CLV反馈调节环控制茎尖干细胞稳态 1996年Laux等[6]利用诱变技术发现，WUSCHEL(WUS)基因的编码产物是维持干细胞数量的内源性信号分子。WUSmRNA在干细胞组织中心区域表达，wus突变体花的数量明显减少且提前脱落，由此可见，在野生型植株中WUS 基因的功能是通过维持中心干细胞库以促进茎和花分生组织的活性。WUS基因的异位表达诱导异位干细胞的形成，表明WUS表达区域必须受到严格的调控以维持干细胞的正确位置和数量。与WUS基因功能相反，CLAVATA(CLV)基因突变则产生过多的SAM细胞，形成膨大的分生组织，茎尖呈环型而不是尖型[7]。在突变植株的一生中，由于产生过多的干细胞，其结果是枝条粗大，产生较多的花分生组织。因此，从表型性状推测，在野生型植株中CLV的功能是限制分生区干细胞增殖。 研究表明，CLV表达区域位于WUS之上[8]。CLV3是干细胞分泌的小分子多肽，作为配体与CLV1-CLV2(在干细胞之下表达)组成的受体复合体相互作用。激活CLV 复合体启动下游信号事件，导致WUS 表达区域受到限制。在野生型拟南芥中，干细胞稳态受到正负信号的反馈调节。CLV3是一个负调控信号，控制WUS在分生组织中心很窄范围内表达。在CLV3 突变体中，WUS表达区域向两侧及向上扩展。转基因CLV3过表达的植株类似WUS 突变体，说明WUS基因的活性受到CLV信号通路的下行调节。WUS既是CLV负控信号的重要靶基因，又是促进干细胞数量的正调控基因。然而，诱导WUS 基因异位表达却能促进CLV3 基因转录，说明WUS 和CLV 组成了一个反馈调节环[4,8]。当干细胞后裔脱离干细胞区域，成为器官原基的一部分后，干细胞数量减少引起CLV3信号水平降低。负控信号水平降低引起WUS表达区域扩展，通过这个正调控途径使干细胞数量增加。干细胞数量增加到一定程度时反馈激活CLV3信号表达，限制WUS表达区域进一步扩大，保持干细胞数量的恒定。 2.2 SHR-SCR 信号通路对根尖干细胞的调控作用 SCARECROW(SCR)和SHORTROOT(SHR)属于GRAS 家族的转录因子，对根尖分生区的维持起关键作用[9]。SCR在QC、内皮层/皮层初始区和已分化的内皮层表达，其功能缺失导致初始区及QC干细胞的连续性丧失。SHR在根尖中柱组织表达，其蛋白质转运到邻近细胞层(包括QC)。SHR功能缺失导致QC的结构不规则，缺乏QC特异性标志分子和根部停止生长等表型。在内皮层/皮层初始区，SHR激活SCR，促进干细胞的不对称分裂。SHR 和SCR 都是维持QC 功能必需的，因为在shr突变体中，SCR在QC区域表达并不能挽救QC 缺失[10]。最近研究发现，PLETHORA (PLT1/2)基因对胚胎发生中干细胞群的形成和胚后发育中干细胞数量的维持亦至关重要[11]。PLT基因在QC和周围干细胞区域表达，与SCR分布区域重叠，说明它们共同为干细胞微环境提供信号。PLT基因异位表达诱导茎尖分生区形成异位的根尖干细胞微环境，因为SHR和SCR基因在此茎尖组织表达。上述研究说明，根尖干细胞微环境的形成依靠SHR 和SCR 提供信号分子。 2.3 生长素对植物干细胞的调控作用 生长素(auxin)对植物的生长、发育具有重要的调控作用，是熟知的影响干细胞微环境的外源性信号[12]。生长素在PIN蛋白(生长素运输辅助因子家族蛋白)协助下长距离极性运输，在这个过程中建立生长素梯度效应。在胚后的根 尖分生区，最高的生长素梯度位于QC 下的远端干细胞。生长素最高梯度效应参与根尖干细胞微环境的位置特化，干扰生长素效应或者极性运输诱导分生区组织结构紊乱，形成异位的QC和干细胞[13]。Aida等[11]报道，PLT基因表达受生长素效应调节，但PLT基因突变不影响生长素在根尖分布和初级生长素效应，说明PLT在生长素下游发挥作用。Pin基因突变影响QC 在胚后根尖中的位置及PLT基因表达模式，进一步说明生长素对干细胞区域化的影响是通过PLT基因介导的[13]。此外，3个PIN基因的表达受到PLT基因调节。上述研究表明，生长素启动胚根发育，调节PLT 基因表达使干细胞位置特化;PLT 基因又反馈调节PIN基因表达，通过稳定生长素最高梯度效应进一步使根尖干细胞微环境区域化[9]。此外，生长素的另外一个重要作用是控制茎尖干细胞分化、促进器官原基形成[14]。生长素向顶端分生组织运输，控制该区域的细胞参与两侧器官发生。器官原基总是在分生组织的高生长素浓度区域形成，一旦形成器官原基，它像海绵一样吸取周围细胞中的生长素。新的原基器官的出现除效应于高生长素浓度外，还是KNOX基因下调表达的结果。在玉米中，通过抑制生长素运输实验表明:生长素积累抑制?型KNOX基因，如SHOOT MERISTEMLESS(STM)基因，在PZ区域表达[15]; 反之，亦有研究表明，KNOX基因的表达调节生长素的极性运输。生长素和KNOX基因是否通过相互作用建立一个自动调节环，这个问题尚需继续探索。 2.4 表观遗传机制对植物干细胞的调节 与动物干细胞一样，植物干细胞也受到染色质活性变化的调节。研究表明，染色质装配因子FAS1 和FAS2 限制WUS 和SCR 基因的活性，且在FAS1 或FAS2 突变植株中观察到WUS 基因异位表达现象，说明WUS 是FAS1和FAS2的靶基因[16]。BRU1，一个稳定复制后染色质结构的蛋白质，与WUS基因的正调控有关[5]。最近研究发现，WUS 是染色质重塑因子SYD 的直接靶基因。SYD 属于ATP 酶家族蛋白，使DNA 易于形成转录复合体从而促进转录[17]。Syd突变植株SAM提前进入终端分化与WUS表达水平降低的表型一致。染色质免疫沉淀SYD 结合到WUS 启动子区域，说明SYD是WUS基因的上游调控因子[17]。在动物中，PcG蛋白家族通过组蛋白甲基化和组蛋白去乙酰基化关闭与干细胞分化有关的基因，使干细胞保持未分化状态[3]。在植物中，研究表明干细胞全能性丧失与PcG介导的基因沉默有关。Katz等[18]研究表明，FIE和CLF蛋白(分别与PcG家族蛋白Eed和Ezh2同源)抑制STM基因表达。STM 基因的主要功能是抑制分生组织中细胞的分化，保证分生组织内细胞的扩增，从而能有足够数量的细胞成为器官原基。上述研究表明，染色质修饰对植物干细胞和动物干细胞的调控具有相似的分子机制。在动物中，AGO(ARGONAUTE)蛋白与干细胞自我更新有关[3]。在拟南芥胚胎发生中，AGO家族蛋白ZLL对建立稳定的茎尖干细胞群非常关键。在zll突变体中，种子萌发后不久茎尖分生区就进行终端分化，只产生一个或少数几个花器官[19]。ZLL异位表达诱导细胞过度分裂和形成异位分生组织，说明该蛋白质在建立干细胞群中发挥作用。研究已证实，AGO家族蛋白的功能是通过siRNA 和miRNA 控制mRNA 稳定性或者抑制mRNA 翻译[20]。除控制mRNA 翻译外，在裂殖酵母和拟南芥中还发现，AGO 蛋白参与miRNA 介导的组蛋白甲基化过程[3]。尽管miRNA和染色质失活之间机制尚待阐明，但众多的研究表明它们对干细胞的自我更新和分化有重要影响。 3. 总结 在过去几年里，植物干细胞的研究取得了很大进展，研究人员发现了一些与 干细胞数量维持和分化有关的基因，这些基因与外源性信号一起组成复杂的网络控制植物的生长和分化。尤其重要的是，人们逐渐发现植物干细胞和动物干细胞尽管形态和功能各异，干细胞稳态的维持却具有相似分子机制。调控染色质活性变化的PcG 蛋白家族和通过miRNA 发挥作用的AGO蛋白家族在动、植物干细胞共同存在，这一现象进一步激发研究人员的兴趣。因此，这些领域的研究必将促进人们对干细胞生物学特性的了解。 参考文献 [1] Sharkis S. 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