不太可能成对的DNA元件和调节蛋白使小植物干细胞注定要成为气孔

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，使微小的植物干细胞发展气孔，气孔是促进全球碳循环的植物细胞瓣膜。

就像我们自己的细胞，如神经元和肌肉纤维一样，植物也有具有特殊功能的细胞。其中一种细胞类型是造口(复数气孔)——一对围绕孔的保卫细胞，用于二氧化碳和氧气的有效交换。气孔调节水蒸气的释放，以防止植物枯萎。在双子叶植物的发育过程中，包括在模式植物拟南芥中发现的叶子，气孔干细胞不断出现，每个干细胞最终都成为气孔保卫细胞。

科学家们知道气孔的主要调节转录因子的身份，气孔是一种与DNA结合并调节许多基因表达以制造气孔的蛋白质。它们包括SPEECHLESS和MUTE，这两个“姐妹”主调节因子依次启动和终止造口的干细胞状态。然而，一个谜仍然存在：这些主调节因子如何与干细胞的实际基因组状态协调以改变它们的命运?

在15年2022月<>日发表在《科学进展》上的一篇文章中，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)。在真核细胞核中，基因组DNA与组蛋白捆绑在一起，组蛋白是一种称为染色质的复合物。转录因子可以进入“开放的染色质区域”，即基因表达作用发生的地方。

使用一种称为ATAC测序的技术，在气孔发育过程中对可访问的染色质进行全基因组分析，揭示了在干细胞增殖到分化时发生的主要重编程。研究人员还发现，两种DNA代码(称为顺式调节元件)在早期气孔谱系中高度富集：E-box，其中称为bHLH蛋白的转录因子结合，以及GAGA重复，其中称为BPC的转录因子在植物中结合。

这两个DNA密码的意义是什么?SPEECHLESS和MUTE是两个顺序起作用的主调节因子，是bHLH蛋白，它们与这些E-box结合。研究人员进一步发现，MUTE，但不是SPEECHLESS，与BPCs强烈结合，BPCs与GAGA重复结合。其他科学家已经证明，BPC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BPC结合，然后带来染色质修饰剂建立抑制性染色质环境，从而锁定基因组状态进行分化。

“我们感到非常惊讶和兴奋，”资深作者KeikoTorii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节因子SPEECHLESS和MUTE很重要。它们具有相似但相反的角色-一个启动和维持，另一个终止气孔干细胞状态。

“现在我们知道，其中只有一个-MUTE-可以引入BPC来改变染色质状态。这意味着两类不同类别的转录因子和两类不同的DNA元件共同作用以锁定植物细胞的命运。我们的发现扩展了如何制造不同的细胞类型。