Science Advances｜加州大学河滨分校揭示WUS调控CLV3表达的浓度依赖性转录机制

2022年8月10日，Science Advances在线发表了美国加州大学河滨分校G. Venugopala Reddy和Weitao Chen团队题为“Concentration-dependent transcriptional switching through a collective action of cis-elements”的研究论文。该研究通过生化实验和建模分析，发现CLV3中一组具有最佳间隔的顺式元件可通过与WUS单体和二聚体的结合，来调节CLV3转录的激活和抑制阈值，揭示了WUS调控CLV3时空表达的浓度依赖性转录机制。

DOI: 10.1126/sciadv.abo6157

基因表达的时空调控，对于发育过程中不同细胞类型的分化形成至关重要。对特定的转录因子（TF）来说，它一般可与靶基因启动子中相应的DNA序列（即顺式元件）结合来调控基因的表达；但是，TF是如何实现基因表达特异性的，一直是研究的重点。其可能机制之一是TF与其辅因子的结合，从而使TF复合物具有结合特异性。另一种机制则通过顺式调控模块（CRM）完成。CRM分为同型或异型，即结合相同的或不同的TF；其中，异型CRM被认为可通过在空间和时间上招募不同的TF来介导基因表达的时空调控。

在拟南芥的茎尖分生组织（SAM）中，WUSCHEL（WUS）TF能通过细胞间移动并激活CLAVATA3 （CLV3）的表达；CLV3小肽则通过与其受体结合，反过来抑制WUS的表达；从而形成了一条维持SAM中干细胞稳态的负反馈通路。最新研究表明，WUS可以和CLV3的CRM结合，该CRM含有五个紧密间隔的顺式元件。有趣的是，该CRM可在低浓度WUS下介导CLV3的激活，却在高浓度WUS下介导CLV3的抑制。生化分析表明，WUS在低浓度下主要以单体的形式结合顺式元件；随着其浓度的增加，WUS以二聚体/多聚体的形式结合，表明高水平的WUS二聚化/多聚化可抑制CLV3的表达（图 1）。

然而，WUS调控CLV3的这种浓度依赖性转录开关是如何建立的，仍不清楚。

CLV3 CRM的5个顺式元件中，970与WUS具有强亲和力。通过调查不同顺式元件单突变对CLV3表达的影响，该研究发现，970的突变可大幅度下调CLV3在外层细胞中的表达，而其他单突变可轻微下调CLV3在L1细胞中的表达；表明这些顺式元件对CLV3的表达调控并不是简单的叠加效应。接着，该研究通过构建四突变体来研究单个顺式元件对CLV3表达的调控作用，并发现本质上每个顺式元件都能在高浓度的WUS下（内层细胞）激活CLV3，无论它与WUS结合亲和力如何。但是，所有五个顺式元件与WUS的结合，才能有效地平衡CLV3的转录激活和抑制，从而调控CLV3的空间表达和水平（图 2）。

为了研究单个顺式元件以不同亲和力结合WUS并激活CLV3的机制，以及多个顺式元件之间在调节CLV3表达中的相互作用，研究人员开发了一个随机模型来模拟单细胞中WUS与CLV3 CRM的结合，以及RNA Pol II的募集和CLV3 mRNA的合成。结果显示，WUS单体与不同亲和力的单个顺式元件结合的停留时间限制，在很大程度上与它们单独激活CLV3相似；老化的WUS单体无法激活CLV3的转录，它们需要被新合成的WUS单体取代以维持CLV3的激活。与此一致，该研究发现WUS蛋白具有不稳定性，而CLV3五个顺式元件的共同作用会增加其对WUS蛋白的敏感性，即使在低水平的WUS下仍能保持CLV3的活化（图 3）。

当涉及多个顺式元件时，该研究发现，WUS单体和二聚体的协同作用才能实现CLV3的正确激活模式。通过模型模拟和生化实验，研究人员表明，相邻顺式元件之间干预距离的增加会阻碍WUS二聚体的结合，从而增加它们对WUS单体的亲和力；表明顺式元件之间的最佳间距在调控CLV3表达中具有重要作用。

最后，该研究在单细胞随机模型的基础上开发了SAM的3D模型，以进一步确定CLV3表达的空间模式。结果显示，由单细胞随机模型确定的协同机制能够在3D模型中生成预期的CLV3表达模式；而WUS复合物的形成可能与SAM不同细胞层中的WUS浓度和CLV3顺式元件的集体行为有关（图 4）。另外，该研究显示顺式元件之间的这种浓度依赖性协同作用，对CLV3的空间表达具有重要作用。

综上所述，该研究通过生化实验和建模分析，揭示了WUS调控CLV3时空表达的浓度依赖性转录机制：CLV3的顺式元件以最佳间隔分布，从而允许WUS单体和二聚体的协同调控；WUS单体对WUS低浓度下CLV3的表达至关重要，而WUS二聚体则在较高WUS浓度下抑制CLV3的表达；这种单体和二聚体的协同调控，最终实现了CLV3在SAM中依赖于WUS浓度的时空表达模式。

转自：植物科学最前沿

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