破解植物精子如何被压实的谜团

精子细胞具有紧密的DNA束，但直到现在，精子细胞核如何以及为何在开花植物中凝聚一直是个谜。约翰英尼斯中心的一个研究小组发现了开花植物精子压缩的机制，并收集了为什么需要它的线索。

开花植物如何压缩精子细胞中的DNA?

冯晓琪教授小组的研究人员已经展示了在开花植物中，精子染色质是一种DNA和蛋白质的复合物，它是如何被一种特殊的组蛋白压缩的，这种蛋白质会像油滴在水中一样自发地自聚集，这种现象被称为相分离。

开花植物与动物和非种子植物(如蕨类植物和苔藓)使用不同的机制。在这些其他生物体中，精子染色质几乎完全被组蛋白替换为高度压缩DNA的鱼精蛋白。

开花植物的压实机制尚不清楚，因为它们没有鱼精蛋白，而是保持基于组蛋白的染色质。

冯教授的研究团队利用超分辨率显微镜、比较蛋白质组学、单细胞型表观基因组测序和3D基因组作图来探究这个谜团。

该团队使用超分辨率显微镜检查了拟南芥精子、营养细胞和叶细胞核，并通过比较蛋白质组学鉴定了一种在精子核中特异性表达的组蛋白变体H2B.8。

H2B.8具有较长的内在无序区域(IDR)，该特征经常允许蛋白质进行相分离。研究发现，几乎所有开花植物物种都有H2B.8同源物(副本)，它们都包含一个IDR，表明了重要的功能。

使用成像、表观基因组测序和3D基因组作图，研究人员表明H2B.8通过诱导常染色质的相分离和聚集来浓缩精子DNA，常染色质是相对去浓缩和转录活跃的染色质部分。

因为常染色质占据了大部分核体积，所以它的聚集是核凝聚的一种高效机制。

他们还表明，由于H2B.8在无活性的常染色质中的特定定位，其浓缩功能不会对转录和基因活性产生不利影响。

为什么开花植物会以这种方式浓缩它们的DNA?

许多生物具有高度浓缩的精子。例如，哺乳动物产生会游泳的活动精子，它们受益于精子核中紧凑的DNA束，以获得有助于游泳速度的小型流体动力精子头部。

开花植物产生不会游泳的花粉，提出了一个问题“为什么开花植物的精子中会发生DNA压缩?”

研究小组得出结论，H2B.8介导的精子凝聚对男性生育能力很重要。研究人员推测，精子凝结对开花植物很重要，其中精子细胞需要穿过长长的花粉管才能到达深深嵌入母体组织的卵细胞。

与这个想法一致，裸子植物，一组暴露卵器的非开花种子植物(例如针叶树，苏铁)，具有未浓缩的精子核并且缺乏H2B.8。

该研究的第一作者TobyButtress博士说：“我们提出H2B.8是一种开花植物进化创新，与鱼精蛋白相比，它实现了中等水平的核凝聚，鱼精蛋白牺牲了转录以实现超级压实。H2B.8介导的凝聚是足以让精子保持不动，并与基因活性相容。”

该团队还推测，这种核凝聚机制很可能在开花植物之外起作用，在有利于较小细胞核的转录活性细胞中起作用。

Buttress博士继续说道，“我们发现了第一个能够影响染色质相分离特性的特定核心组蛋白变体的例子。

“我们展示了一种令人兴奋的基因组压缩新机制，它不会损害基因活性。”

论文“HistoneH2B.8通过染色质相分离压缩开花植物精子”发表在Nature杂志上。