首次解析明星基因WUS與STM互作關係，植物幹細胞兩大基因「星星」相「吸」

2020-09-03 科學網

■本報記者 李晨 通訊員 王靜

植物幹細胞研究不僅是植物發育生物學的核心研究命題，也是作物分子遺傳改良和植物生物技術產業化的重要基礎。STM與WUS是調控植物幹細胞發育的兩個明星基因。

距離山東農業大學教授張憲省團隊第一次發現STM蛋白與WUS蛋白之間可能存在直接的相互作用，已經過去整整8年了。8月25日，美國《國家科學院院刊》在線發表了該團隊關於植物莖端分生組織發育調控機制的成果。他們首次揭示了WUS、STM、CLV3三個關鍵因子之間精細的相互作用模式，解析了WUS和STM介導幹細胞形成和維持調控途徑的交叉和協同，為進一步分析植物莖端分生組織幹細胞活性的調控機制提供了新的思路。

「撲朔迷離」的明星基因

植物幹細胞是一群具有自我更新能力並能不斷產生各種分化細胞的原始細胞，主要位於根尖和莖尖的分生組織以及形成層，幾乎所有的植物細胞都來源於幹細胞。幹細胞在植物整個生命周期中保持著自身的多能狀態，並控制著植物的生長發育。

「植物莖端幹細胞決定了莖、葉、花、果實等地上部分器官的分化和發育，是所有地上部分器官細胞的來源，研究其調控機理對於解析植物器官的分化有重要意義。」論文通訊作者張憲省說。

20多年來，學術界對WUS和STM蛋白如何調節CLV3轉錄和幹細胞活性維持的現象有一定的認識，但是對於它們如何相互作用以調控幹細胞命運仍不清楚。

最先於1995年發現的CLV3基因是幹細胞的特徵基因。利用它作為標記，可以將莖端分生組織中的幹細胞與非幹細胞進行區分。

1996年被首次報導的STM蛋白，是幹細胞的關鍵激活與維持因子，其功能主要是維持幹細胞的未分化狀態，抑制其分化產生各種器官的細胞。STM過量表達會使植物的莖端幹細胞數量顯著增加。

而作為調控植物莖端幹細胞的核心因子，WUS蛋白於1998年被首次報導，其功能和調控機制的研究一直是植物幹細胞領域的熱點。

論文共同第一作者、山東農業大學教授蘇英華告訴《中國科學報》，前人研究發現，WUS基因能夠編碼分生組織中的關鍵調控因子，激活幹細胞特徵基因CLV3在幹細胞中的表達，並賦予它們幹細胞的特徵。

2002年，三篇關於WUS的重要論文問世，但其結論反而使得WUS的調節機制撲朔迷離。這三篇論文都從表型層面探討了以WUS為核心的幹細胞發育過程，第一篇發現WUS蛋白和STM蛋白之間是互補關係，第二篇發現兩者是協同關係，第三篇則認為兩者分別調控兩個獨立的過程。

限於當時的研究水平，科學家都沒有從分子機制上回答出現這種互相矛盾的現象的原因。

論文共同第一作者周超介紹，此後，關於WUS如何與其他因子相互作用形成調控網絡，共同激活和維持幹細胞活性的研究並不多見。就這樣，多數科學家認為STM介導的幹細胞調控途徑與WUS介導的途徑相互獨立或者存在互補作用，但從未有報導說STM和WUS有直接的相互作用。

核心基因並不孤單

自然條件下，已經發育成熟的葉或根很難再生出新的小芽、形成新的植株。然而，如果人為調高WUS基因的表達量，已經發育成熟的葉片上就會長出新芽。

「這說明WUS能夠激活植物幹細胞發育的關鍵因子，它是一個核心因子。圍繞著它，肯定還有其他關鍵因子與之相互作用。」張憲省認為，要想搞清楚植物幹細胞發育過程，必須深入研究WUS蛋白及其互作因子。

隨著生物科學實驗技術的發展，2011年，張憲省團隊開始篩選與WUS相互作用的直接互作蛋白。

蘇英華介紹，利用模式植物擬南芥，他們利用當時最新的CO-IP結合蛋白質譜篩選互作蛋白的實驗技術，希望能夠鑑定出新的WUS相互作用因子及其介導的調控莖端幹細胞活性的遺傳途徑和分子機制。

2012年9月的一天，蘇英華和周超在眾多候選因子中第一次篩選出STM，這讓他們興奮不已。「當時覺得能解析出來兩大關鍵調控因子的互作關係，就可以把兩條關鍵的調控途徑整合在一起了，應該能更好地解釋幹細胞發育的機制。」

蘇英華立刻告訴張憲省這一互作蛋白篩選實驗結果。「先做STM和WUS的互作關係研究。」張憲省說。

但證明這個假設並不容易。2016年，有科學家發現，WUS在植物體內可以移動，而且一旦濃度過大就會自我降解。這種不穩定的狀態使得科學家很難在植物體內提取WUS蛋白。

張憲省意識到，這是他們的工作進展艱難的原因之一。之後，他們團隊優化了多種精細獲取莖端分生組織細胞和提取純化WUS蛋白的方法，獲得了較穩定的帶有標記的WUS蛋白，終於篩選出了幾十個可能與WUS蛋白相互作用的因子。

三大因子「攜手並進」

利用各種遺傳和生化試驗，該團隊證實了STM作為WUS互作蛋白起作用的機制：WUS蛋白能夠與STM直接相互作用形成異源二聚體，共同結合到下遊基因CLV3的啟動子上。該二聚體能進一步增強與CLV3啟動子的結合強度，並激活其表達，從而增強莖端幹細胞的活性。

「在這個過程中，WUS扮演『主角』，它可以直接激活STM的表達；而STM被激活後，與WUS結合，發揮幹細胞增效因子的功能。」蘇英華說。

這一機制的揭曉，也很好地解釋了18年前科學家觀察到的互相矛盾的WUS和STM的互作效果。

張憲省說，這是首次從分子水平解析了莖端幹細胞激活因子和增效因子相互依存的作用模式，解決了困擾植物學家多年的關於植物幹細胞調控的諸多疑問，填補了近20年來幹細胞調控領域關鍵因子之間相互關係的空白。

張憲省告訴《中國科學報》，三個關鍵因子之間精細的相互作用模式對實現莖端分生組織內幹細胞的動態平衡具有特殊意義。這為莖端幹細胞的發育調控提供了一個新理論，即多能性幹細胞調控因子在莖端分生組織中形成一個調控幹細胞穩態的精細調節單位，激活因子WUS和增效因子STM在分子水平上相互依存。

通過提高作物莖端幹細胞激活因子WUS的表達水平，能夠增強莖端幹細胞的活性、增加幹細胞數目，進而促進作物形成更多分枝，增加花的數量，產生更多的籽粒。

「這一成果有望運用於林木、玉米、小麥等大田作物，對於調控植物生長發育、加速植物快繁、提高植物再生能力，推動農業生物技術產業發展具有潛在的重要意義。」中國科學院院士種康評價說。

相關論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2015248117

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