科研成果 | 冯小琦/李丕龙合作揭示精子特异的组蛋白H2B.8通过染色质相分离压缩开花植物精子

2022年11月3日，英国 John Innes Centre研究所冯小琦课题组和清华大学生命科学学院、北京生物结构前沿研究中心的李丕龙课题组合作在《自然》（Nature）杂志发表题为“组蛋白H2B.8通过染色质相分离压缩开花植物精子”（ Histone H2B.8 compacts flowering plant sperm via chromatin phase separation）的学术文章。

雄性生殖细胞在大小、健壮性和染色质结构方面是独一无二的。其中精子染色质经历了广泛的浓缩，这对于大多数动物的雄性生育能力至关重要。在动物精子成熟过程中：几乎所有组蛋白都被小的富含精氨酸的鱼精蛋白取代，从而实现了 DNA的更密集包装；鱼精蛋白会阻止转录；鱼精蛋白实现的极端染色质压实保护基因组完整性，并实现了增强游泳能力的小型流体动力精子头部。总之，用如此激烈的过程说明了精子适应度的高进化压力。精子浓缩也发生在另一大类多细胞真核生物-植物（绿藻和非种子植物）中。与动物类似，这类植物会产生活动精子，这些精子会在水中游动来到达卵细胞。

与大约 1.5 亿年前的其他陆地植物物种不同，开花植物不再依赖水来受精。开花植物产生不动的、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的有丝分裂产生的。小孢子分裂一次以产生一个营养细胞和一个生殖细胞，后者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，将精子输送到卵器。与为花粉管生长提供动力所需的高代谢活性一致，营养细胞染色质高度去浓缩且具有转录活性。相比之下，精子具有高度浓缩的、基于组蛋白的染色质核小核。在没有鱼精蛋白的情况下，开花植物中精子染色质凝聚的机制尚不清楚。

为了了解开花植物精子染色质凝聚的机制，作者对来自拟南芥的精子细胞、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，作者确定了一种精子特异性表达的组蛋白变体-H2B.8，它与精子核质中的染色质聚集体共定位。具有h2b.8突变的精子核增大并具有去浓缩的染色质，而H2B.8在体细胞中的异位表达导致相反的表型。该结果表明H2B.8对于核和染色质凝聚是必要和充分的。

H2B.8 与其他拟南芥 H2B 变体的区别在于更长的 N 末端尾部，其中包含 93 个氨基酸的固有无序区域 (IDR)。IDR 已被证明可以通过相分离驱动生物分子凝聚物的形成。基于这一知识以及异位表达 H2B.8 的精子和幼苗细胞中独特的 H2B.8 凝聚体形成，作者假设 H2B.8 通过 IDR 介导的相分离聚集染色质。为了验证这一假设，作者在体外重组了不同种类的核小体串，并测试了这些核小体串的相分离特性。与文献的发现一致，实验数据表明染色质在体外在生理盐条件下发生相分离。此外，与需要生理阳离子帮助的典型染色质相分离不同，含有 H2B.8 的核小体阵列可以在低或无阳离子条件下形成相分离液滴。与 IDR 通过无序状态而不是特定序列基序促进相分离的想法一致，作者发现含有 H2B.8 的染色质和 IDR 序列随机加扰的染色质能够在非盐依赖的方式形成相分离。该结果表明精子特异的H2B.8 的 IDR区段介导了一种新形式的染色质相分离凝聚体。

此外，作者发现H2B.8在细胞内形成的凝聚体专门浓缩未表达且富含 AT序列的常染色质，从而在保持转录的同时减少核体积。H2B.8 诱导的核压实对生育能力很重要，因为 h2b.8 突变会减少雄性传播。总的来说，该研究阐明了开花植物精子染色质的凝聚机制，并揭示了一种与转录相容的染色质凝聚的新机制。

H2B.8的IDR区段介导的相分离促进精子染色质凝聚

英国 John Innes Centre研究所冯小琦教授和清华大学生命科学学院、北京生物结构前沿研究中心李丕龙副教授为本文的共同通讯作者。John Innes Centre研究所博士生Toby Buttress博士、John Innes Centre研究所博士后赫圣博博士、清华大学生命科学学院博士后王亮博士、John Innes Centre研究所博士后周少立博士为本文共同第一作者。本工作得到了中国科学院生物物理研究所李国红教授课题组的大力帮助。这项工作得到了UKRI-BBSRC 博士培训合作伙伴奖学金、Marie Skłodowska-Curie 行动、两项生物技术和生物科学研究委员会 (BBSRC) 、植物与微生物科学卓越中心、国家重点研发计划、北京生物结构前沿研究中心、中国国家自然科学基金、中国科学技术部、北京市科学技术委员会、欧洲研究委员会启动资助和EMBO青年研究员奖的经费支持。

原文链接

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

转自：“北京生物结构前沿研究中心”微信公众号

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