表觀遺傳重編程是生殖細胞發育過程中高度保守的現象。動植物的配子發生過中涉及DNA甲基化和組蛋白甲基化等多種表觀遺傳修飾的大規模重編程，以重置下一代的基因轉錄。哺乳動物精子發生過程中，父源的染色質通過全局性DNA甲基化去除和組蛋白被魚精蛋白替換進行廣泛的重編程。不同於動物的減數分裂產物即直接是配子，植物雄性減數分裂產生的小孢子仍需經曆兩次連續的有絲分裂才產生精細胞。小孢子首先通過第一次不對稱的花粉有絲分裂（PMI）形成一個雙細胞花粉，包含一個較大的營養細胞（VC）和一個較小的生殖細胞（GC）。與在G1期停滯的VC不同，GC經曆第二次花粉有絲分裂（PMII），產生兩個精細胞（SC）。因此，一個成熟的花粉粒包含兩個完全被VC細胞質包裹的SC。在精細胞形成過程中VC的異染色質完全去濃縮，而SC仍保留高度濃縮的異染色質。與VC中異染色質去凝聚的現象一致，植物中典型的異染色質marker H3K9me2在SC中高度富集，而在VC中被擦除。然而，作為植物中最經典的異染色質marker，H3K9me2如何被建立的並不清楚，尤其是花粉的兩類細胞中H3K9me2在花粉有絲分裂過程中如何被差異調控的機製完全不清楚。
2024年8月16日，鄭丙蓮課題組在Nature Communications在線發表了題為“ARID1 is required to regulate and reinforce H3K9me2 in sperm cells in Arabidopsis”的研究論文。該研究觀察了H3K9me2在花粉有絲分裂過程中的動態表達模式，揭示了花粉特異表達的轉錄因子ARID1參與H3K9me2的調控及精細胞核異染色質濃縮的新機製。
為了探究ARID1參與H3K9me2調控的機製，我們首先利用免疫熒光實驗觀察了H3K9me2在花粉有絲分裂整個過程中的分布模式。結果發現H3K9me2在減數分裂後釋放的小孢子中富集，但在第一次有絲分裂（PMI）結束後，VC中的H3K9me2逐漸被擦除，並在第二次有絲分裂（PMII）前完全消失，而在GC和SC中仍保持H3K9me2的富集。進一步通過對ARID1在花粉中的亞細胞定位觀察，我們發現ARID1與H3K9me2在小孢子和第二次有絲分裂前的VN和GN中共定位。遺傳證據表明ARID1的突變導致H3K9me2在花粉第一次有絲分裂結束後的VN，GN和SN中的富集明顯減弱。而GN/SN特異過表達ARID1則增強H3K9me2的富集。更重要的是，arid1突變體中VN和SN的大小均變大，而過表達ARID1顯著促進SN的核濃縮。利用花粉為材料的ChIP-seq實驗表明arid1突變體中~80%的H3K9me2富集位點的結合強度明顯減弱，且這些位點具有較低的DNA甲基化水平和異染色質marker的富集。與此同時，花粉中~80% ARID1的結合位點上富集H3K9me2，且ARID1結合的轉座子（TE）位點幾乎均有H3K9me2的富集。這些結果表明ARID1可以結合到H3K9me2的位點並促進H3K9me2的建立。植物中H3K9me2的建立完全依賴於三個組蛋白甲基轉移酶SUVH4/5/6，一係列分子實驗及熒光信號觀察結果顯示ARID1能夠結合到未甲基化的H3K9並與SUVH6在花粉中相互作用，進一步招募SUVH6到異染色質，從而建立和加強精細胞中H3K9me2的水平。綜上，我們的結果揭示了H3K9me2在花粉有絲分裂過程中的動態分布模式以及ARID1在調控花粉兩種細胞類型之間H3K9me2差異模式的新機製。
圖注：在花粉第一次有絲分裂（PMI）結束後，VC中的染色質去濃縮，而GC中的染色質仍保持濃縮的狀態。與此同時，H3K9me2在VN中逐漸減少，而在GN和SN中保持不變。ARID1通過促進SUVH4/5/6在早期GC中的定位，並招募SUVH4/5/6到染色質，減緩VN中H3K9me2的擦除，並促進GN和SN中H3K9me2的維持，以此調節VC與GC/SC之間H3K9me2的差異表達。PMI，花粉有絲分裂I；PMII，花粉有絲分裂II；VN，營養核；GC，生殖細胞；SC，精細胞；BP，雙細胞花粉。
万博英超狼队网官方网 鄭丙蓮教授課題組博士後李磊為本文第一作者，鄭丙蓮教授為通訊作者。德國萊布尼茨植物遺傳和作物植物研究所江華教授參與了該研究工作。狗万外围充值 博士生楊懷昊，趙詣，胡倩倩，張小跎，蔣婷博士也參與了該項工作。本研究得到了國家自然科學基金傑青項目、重點項目、青年基金項目等資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51513-4