STEMIN在植物可行性重編程中的發(fā)現(xiàn)
干細胞自我更新并產(chǎn)生在發(fā)育過程中分化的細胞。這些分化的細胞可以在大多數(shù)植物中的適當條件下變成干細胞,其中該過程更容易明顯,并且一些動物。研究人員以前通過在擬南芥中誘導單個轉錄因子成功地從完整的葉子形成新芽。
然而,尚不清楚這些轉錄因子是否誘導分生組織隨后誘導干細胞或直接誘導干細胞。為此,日本國立基礎生物學研究所的助理教授Masaki Ishikawa和Mitsuyasu Hasebe教授,日本名古屋大學轉化生物分子研究所(WPI-ITbM)的指定副教授Yoshikatsu Sato及其合作者發(fā)現(xiàn),誘導轉錄因子STEM CELL INDUCING FACTOR1(STEMIN1)在葉片中直接將葉細胞轉變?yōu)樘μ\Physcomitrella patens中的干細胞。這種直接干細胞誘導因子的發(fā)現(xiàn)將有助于進一步闡明陸地植物中干細胞形成的分子機制。
在大多數(shù)植物和一些動物中,分化的細胞可以在適當條件下在發(fā)育期間或甚至在發(fā)育后恢復為干細胞。雖然干細胞似乎在哺乳動物的胚胎發(fā)生后不起作用,但是一些轉錄因子的誘導誘導體細胞向誘導的多能干(iPS)細胞的轉化。然而,植物細胞比動物細胞更具塑性。
特別地,在陸地植物的發(fā)育和再生期間制造新器官的過程中廣泛觀察到干細胞形成。然而,Mitsuyasu Hasebe教授說:“盡管已經(jīng)在被子植物中發(fā)現(xiàn)了一些參與干細胞形成的調節(jié)因子,但了解陸地植物重編程和干細胞形成的分子機制以及它們的進化仍然具有挑戰(zhàn)性。”
Hasebe教授及其同事旨在通過使用苔蘚Physcomitrella專利來了解干細胞形成的分子機制,并于2005年開始了一項名為“ERATO Hasebe Reprogramming Evolution project”的研究項目。該項目由日本科學技術廳于2005年支持。這種苔蘚很好模型研究分化細胞的干細胞形成。在從孢子產(chǎn)生絲狀組織(protonema)的菌絲狀分枝生長之后形成葉狀枝(配子體)。當從游戲機上切下葉子并在培養(yǎng)基上培養(yǎng)時,面向切口的葉細胞轉變成干細胞,其可以經(jīng)歷尖端生長和細胞分裂以產(chǎn)生原始瘤。
在篩選干細胞形成相關因子時,Yohei Higuchi博士和該項目組長Yoshikatsu Sato博士成功地鑒定了一種編碼轉錄因子的基因,該基因將葉細胞轉化為干細胞而不傷害信號,從而導致形成protonemata。佐藤博士說,“這個基因被命名為STEMIN1(STEM CELL-INDUCING FACTOR 1)”。
項目結束后,Masaki Ishikawa博士成功地揭示了干細胞形成過程中STEMIN1的分子機制。他說:“我們發(fā)現(xiàn)STEMIN1基因在切除的葉片中經(jīng)歷干細胞形成的葉細胞中被激活。此外,STEMIN1及其兩個同源基因的缺失延遲了葉片切除后干細胞的形成。這些結果表明STEMIN1功能在一個固有的機制,以啟動Physcomitrella干細胞的形成。“
為了進一步了解這種分子機制,來自SOKENDAI(高等研究生院)的研究生Mio Morishita女士專注于STEMIN1-直接靶基因。她發(fā)現(xiàn)這些基因的特征是組蛋白H3在賴氨酸-27(H3K27me3)的三甲基化,即所謂的抑制性組蛋白修飾,并在葉細胞中被轉錄抑制。與此相反,她還說,“葉細胞中的STEMIN1誘導特異性地降低了細胞分裂前STEMIN1-直接靶基因中的抑制性組蛋白修飾水平,并激活了它們的基因表達,導致干細胞的形成。”
因此,該研究小組已經(jīng)證明STEMIN1在局部組蛋白修飾變化的內(nèi)在機制中起作用以啟動干細胞形成。Hasebe教授說:“我們的新研究結果將加強對單一轉錄因子如何誘導陸地植物干細胞形成的機制見解的研究。此外,由于包括被子植物在內(nèi)的其他陸生植物具有STEM基因的直向同源物,因此對該基因的進一步研究家庭應該了解這是否是陸地植物中干細胞形成的一般機制。“
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