日本金泽大学团队发现能将普通细胞直接转变为干细胞的STEMIN基因

干细胞*1能够自我更新并产生于发育过程中分化的细胞。在适当条件下,大多数植物中以及部分动物中的的该种分化细胞可以变成干细胞。虽然干细胞在哺乳动物的胚胎发生后不再产生,但是一些转录因子的产生仍会诱导体细胞向诱导性多能干细胞(iPS细胞) *2 的转化。

植物细胞比动物细胞更具塑性。在某些陆生植物的发育和再生期间制造新器官的过程中,这种干细胞的形成尤为常见。前人的研究已经能够成功地通过在拟南芥中诱导单个转录因子而从完整的叶子来形成新芽。然而,目前尚不清楚这些转录因子是通过诱导产生分生组织来产生干细胞的,还是直接诱导产生干细胞。

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图1. 当STEMIN基因被激活时,叶细胞直接转化为原丝体干细胞并延伸。

左上:一般茎叶体, 右上:激活了STEMIN基因的茎叶体,

左下:一般叶片,右下:激活了STEMIN基因的叶片。

由金泽大学跨学科科学技术中心的西山智明助理教授,基础生物学研究所的石川雅树助理教授、森下美生、长谷部光泰教授以及名古屋大学佐藤良胜特任副教授等组成了联合研究小组,从苔藓类植物中发现了一种能够将植物体内的间叶细胞直接转化为干细胞的诱导转录因子。这种直接干细胞诱导因子的发现将有助于进一步从分子层面上阐明陆生植物中干细胞形成的机制。

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图2.解释干细胞如何将干细胞转变为干细胞的模型

在叶细胞中,用来形成干细胞的大量基因被化学修饰方法(图的上半部分)严格抑制。当STEMIN被激活时,化学修饰被去除,促进干细胞形成的基因重新开始起作用(图的下半部分)。该团队认为,STEMIN既起到减少化学修饰的作用,又起着转录某种特定基因的作用,而该种特定基因正是其化学修饰被减少的那些。

为了阐明该机制,金泽大学长谷部光泰教授及其同事于2005年启动了一项名为“长谷部(人名) 分化全能性进化”的研究项目,该项目由日本科学技术厅支持。该项目成功地揭示了干细胞形成过程中 STEM CELL INDUCING FACTOR 1 (干细胞诱导因子1,简称STEMIN1)的产生机制。STEMIN1基因会在正在发生干细胞形成过程的离体叶片中被激活。此外,STEMIN1及其两个同源基因的缺失推迟了叶片切除后干细胞的形成。这些结果表明了STEMIN1在在藓类中开启干细胞形成的内在机制。进一步地,该团队发现这些基因的特征为组蛋白* 3 H3在赖氨酸-27(H3K27me3)的三甲基化,即所谓的抑制性组蛋白化学修饰* 4,并在叶细胞中受到转录抑制。与此相反,叶细胞中的STEMIN1诱导降低了细胞分裂前STEMIN1-直接靶基因中的抑制性组蛋白修饰能力,并激活了基因表达,导致了干细胞的形成。

这一新研究结果从机制上洞察了单一转录因子是如何诱导陆生植物干细胞形成的。此外,包括被子植物在内,其它陆生植物也含有STEMIN基因的直接同源物,因此,对该基因族其它成员的进一步考察还将证明这一机制是否适用于所有陆生植物中的干细胞形成原因。

该研究成果发表于2019年7月8日国际期刊《Nature Plants》上。

 

[用语解释]

※1 干细胞
一种特殊类型的细胞,能够分裂并分化成相同的细胞和不同的细胞。
※2 iPS细胞(人工诱导性多能干细胞)
由哺乳动物成体细胞经转入转录因子等手段脱分化形成的多能干细胞。它被称为多能干细胞,因为它可以产生各种细胞。
※3 组蛋白
存在于细胞核中。可以通过细胞中存在的各种酶进行化学修饰,并且根据待修饰的位置和化学修饰的类型不同而具有不同的功能。
※4 化学修饰
通过对生物分子(例如蛋白质和DNA)化学基团的引入或除去,而使其共价结构发生改变,从而改变其活性及反应性。

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