冯小琦/李丕合作揭示开花植物精细胞染色质凝缩新机制

在大多数动物中，精子染色质经历了大量的凝结，这对雄性生育能力是必不可少的。在动物精子成熟过程中，几乎所有的组蛋白都被小的富含精氨酸的鱼精蛋白所取代，这有利于DNA的紧密包装。例如，在哺乳动物精子中，组蛋白只保留在基因组的5 - 15%，而组蛋白携带的大部分调控信息丢失。从组蛋白中解开DNA需要DNA链断裂，在这个过程中可以观察到大量的DNA链断裂。此外，鱼精蛋白阻止转录。鱼精蛋白的极致染色质压实保护了基因组的完整性不受基因毒性因素的影响，并实现了一个小的和水动力的精子头，增强了游泳能力。

精子染色质通常被鱼精蛋白转化为一个紧凑的和转录不活跃的状态。开花植物的精子细胞缺乏鱼精蛋白，但它们有转录活性小的细胞核，染色质通过一种未知的机制浓缩。

2022年11月2日，英国约翰英纳斯中心冯小琦与清华大学李丕龙合作在Nature 杂志在线发表标题为“Histone H2B.8 compacts flowering plant sperm via chromatin phase separation”的研究论文，该研究表明组蛋白变体H2B.8在拟南芥中介导精子染色质和核凝结。H2B.8的缺失导致精子核增大，染色质分散，而在体细胞中异位表达产生较小的细胞核，染色质聚集。这一结果表明H2B.8足以使染色质凝结。

H2B.8聚集在转录不活跃的富含AT的染色质中形成相分离的凝聚体，促进核压实而不降低转录。互交杂交表明h2b.8基因突变减少了雄性遗传，这表明h2b.8介导的精子压实对生育能力很重要。总之，这项研究揭示了一种通过未表达染色质的全局聚集而形成的核压实新机制，提示H2B.8是开花植物的进化创新，它实现了与活性转录兼容的核凝结。

精子凝结同样发生在另一大类多细胞真核生物中:植物中。与动物类似，绿藻和非种子植物(如苔类、苔藓和蕨类植物)产生活动精子，这些精子会在水中游动到达卵细胞。与精蛋白介导的精子凝聚进化为促进游泳的理论一致，这些物种的精子核被精蛋白和精蛋白样蛋白高度凝聚，并且转录很少的RNA。

大约在1.5亿年前，开花植物与其他陆地植物物种分化开来，不再依靠水来施肥。开花植物产生不活动的，转录活跃的精子。精子细胞被包裹在花粉粒中，花粉粒是由称为小孢子的单倍体减数分裂产物有丝分裂产生的。小孢子分裂一次产生一个营养细胞和一个生殖细胞，生殖细胞随后分裂产生两个精细胞。在受精过程中，营养细胞发育成花粉管，将精子运送到卵细胞。与推动花粉管生长所需的高代谢活性一致，营养细胞中的染色质高度解密集，具有转录活性。相比之下，精子有高度浓缩的组蛋白染色质和小的细胞核。在没有鱼精蛋白的情况下，开花植物中精子染色质凝结的机制尚不清楚。

为了了解开花植物精子凝结的机制，研究人员对拟南芥的精子细胞、营养细胞和体细胞进行了超分辨率成像和比较蛋白质组学分析。通过这些实验，发现了一种特殊表达的组蛋白变体H2B.8，它与精子核浆中的染色质聚集物共定位。h2b.8突变的精子核增大，染色质解密，而h2b.8在体细胞中的异位表达则导致相反的表型。这一结果表明H2B.8是核和染色质凝结的必要和充分条件。

图1. H2B.8是驱动染色质和核凝结所必需的成分（图源自Nature ）

进一步研究表明，H2B.8通过一种相分离机制聚合染色质，这种机制依赖于一个保守的内在无序区(intrinsically disordered region, IDR)。H2B.8特异性地浓缩了未表达的富含AT的常染色质，从而在维持转录的同时减少了核体积。h2b.8突变减少了雄性遗传，因此H2B.8诱导的核压实对生育能力很重要。

图2. H2B.8通过IDR依赖的相分离浓缩染色质（图源自Nature ）

总的来说，这项研究结果解释了开花植物精子凝结，揭示了H2B.8诱导的相分离驱动染色质凝聚的新机制。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05386-6

转自：“iNature”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！