雄配子體的正常發(fā)育是擬南芥世代交替的重要組成部分。在擬南芥雄配子體形成過程中，小孢子經(jīng)歷第一次不均等有絲分裂形成生殖細(xì)胞和營養(yǎng)細(xì)胞，生殖細(xì)胞經(jīng)歷第二次有絲分裂形成兩個(gè)精細(xì)胞。兩個(gè)精細(xì)胞和營養(yǎng)細(xì)胞共同組成雄性生殖單位（male germ unit）。擬南芥雄配子體的發(fā)育受到多方面的表觀調(diào)控，包括DNA甲基化，組蛋白修飾等。作為表觀遺傳學(xué)的重要分支，染色質(zhì)三維（3D）結(jié)構(gòu)在維持真核生物基因組穩(wěn)定性，調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄等方面發(fā)揮重要作用。在多種哺乳動(dòng)物中，染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)在精子發(fā)生過程中產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化。然而，受制于擬南芥雄配子體分選的困難和傳統(tǒng)高通量染色質(zhì)構(gòu)象捕獲技術(shù)（Hi-C）對(duì)于起始量的較高要求。目前關(guān)于植物雄配子體發(fā)育過程中染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化和其發(fā)揮的生物學(xué)作用仍缺乏深入了解。
2025年2月10日，基因功能研究與操控全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院、北京大學(xué)-清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心周岳課題組在Genome Biology上在線發(fā)表了題為“Dynamic changes in 3D chromatin structure during the two rounds of mitosis in plant male gametogenesis”的研究論文，揭示了擬南芥雄配子體發(fā)育過程中不同細(xì)胞類型中的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)特征，解析了三維結(jié)構(gòu)與細(xì)胞功能之間的關(guān)聯(lián)。
周岳課題組與刑棟課題組合作，通過綜合利用熒光激活細(xì)胞分選（FACS）技術(shù)、低起始量Hi-C技術(shù)（low input Hi-C）和單細(xì)胞核Hi-C技術(shù)（snHi-C），描繪了小孢子核、生殖細(xì)胞核、營養(yǎng)細(xì)胞核和精細(xì)胞核的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)，獲得了高質(zhì)量的Hi-C結(jié)果。并發(fā)現(xiàn)小孢子核在經(jīng)歷第一次有絲分裂后，染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)朝向不同方向變化。對(duì)于生殖細(xì)胞核，染色質(zhì)從近端起始?jí)嚎s過程，最終實(shí)現(xiàn)染色質(zhì)在精細(xì)胞核中的高度壓縮狀態(tài)。同時(shí)，相較于體細(xì)胞核，小孢子核，生殖細(xì)胞核和精細(xì)胞核中，染色質(zhì)疆域清晰。營養(yǎng)細(xì)胞核中，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，不同染色質(zhì)相互纏繞，染色質(zhì)疆域消失。此外，精細(xì)胞核和營養(yǎng)細(xì)胞核中A/B區(qū)室發(fā)生轉(zhuǎn)變，且營養(yǎng)細(xì)胞核中A/B區(qū)室轉(zhuǎn)變和功能基因的表達(dá)具有密切關(guān)聯(lián)。在精細(xì)胞核中，存在一個(gè)“轉(zhuǎn)錄活躍中心”，該中心對(duì)于精細(xì)胞核功能基因的表達(dá)十分關(guān)鍵。組蛋白變體H2B.8在此前被報(bào)道參與精細(xì)胞核的壓縮過程，本研究通過CRISPR-Cas9技術(shù)構(gòu)建了h2b.8突變體，并發(fā)現(xiàn)其不影響“轉(zhuǎn)錄活躍中心”的維持。
綜上，本研究通過研究四類細(xì)胞中的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，初步探究了基因組結(jié)構(gòu)在雄配子體發(fā)育中的生物學(xué)功能。
圖1 雄配子體兩次有絲分裂過程中染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化及其重要作用
北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院周岳研究員和北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）邢棟研究員為本文共同通訊作者。北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院博士生宋知涵、北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心已畢業(yè)博士生夏啟旻、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院博士生楊敏琪和博士后楊婷婷為本文共同第一作者。該研究得到生物育種國家科技重大專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目、基因功能研究與操控全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院、北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心、北京大學(xué)-清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心的資助。
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