2023.10.13
京都大学 自然科学研究机构基础生物学研究所 东京理科大学 概要 植物利用减数分裂产生的单相( n )细胞，制造多细胞的“配偶体”，从中分化生殖细胞，具有与人类等动物不同的有性生殖方式。 配子体在开花植物(被子植物)中是花粉胚囊的小组织，而在苔藓植物中是叶状体茎叶体这一生活环境的主角。 配偶体内产生生殖细胞的机制，还有很多部分还不清楚。 京都大学研究生院生命科学研究科斋藤美咲硕士生(研究当时)、枞木亮介硕士生(研究当时)、吉竹良洋助教、宫川拓也副教授、中野雄司教授、荒木崇教授、河内孝之教授、山冈尚平副教授等小组与虾根一生基础生物学研究所助教、东京理科大学教授西滨龙一(原京都大学研究生院生命科学研究科副教授)、光田展隆产业技术综合研究所生物过程研究部门副研究部门长等共同表明，几乎所有植物拥有的两个基因BONOBO和LRL/DROP，为了生殖细胞的分化而协同工作。 这些基因产生的蛋白质，通过组合形成了一个复合体(杂二聚体)，调节了其他基因的表达。 LRL/DROP还具有芍药藻类，而BONOBO是陆地植物独有的基因。 陆地植物大约在5亿年前从芍药藻类的一种中诞生并进化而来，这个异二聚体就是在那个时候产生的，被认为是进化中作为制造植物生殖细胞的“关键”而发挥作用。本成果于2023年9月29日刊登在国际学术杂志《Current Biology》的在线版上。
1 .背景
地球上的真核生物大多是在雌雄各自的个体中进行减数分裂，生成只有1组基因组的单相( n )细胞，它们变成卵和精子(配子)进行受精，从而生成具有来源的2组基因组的复相( 2n )的细胞的生命周期(生活环境)。 包括人在内的大多数动物，单相的细胞都直接变成配子，通过受精产生多相的个体。 另一方面，在陆地植物(被子植物·裸子植物·蕨类植物·苔藓植物等)中，单相的细胞反复分裂成为被称为“配偶体”的多细胞体，具有其中只有一部分细胞分化成配偶子的特征(图1 )。
图1陆地植物演替与生殖细胞分化
陆地植物在单相( n )和复相( 2n )的任一代中都形成多细胞体。 单相的多细胞被称为“配偶体”，从其中的细胞分化出后来成为配偶子(卵精子(精细胞) )的细胞(有红色圆圈的细胞)。 BNB和LRL/DROP的杂二聚体控制着这种生殖细胞分化的过程。
但是，配子体的情况在被子植物和苔藓植物上有很大的不同。 被子植物的配子体细胞非常少，特别是雄性配子体“花粉”只由3个细胞组成，其中2个细胞就是配子(精细胞)。 而苔藓植物的配子体是我们平时看到的植物个体(茎叶体叶状体)，在其中形成造卵器、造精器形成配子。
迄今为止，我们的研究小组通过对模式植物※1剑叶藓的分析，发现了从配偶体中分化配偶的转录因子※2的基因BONOBO (BNB )，这是分化作为造卵器造精器基础的细胞(配偶器始原细胞)的基因 BNB蛋白质具有被称为碱性螺旋回环螺旋( bHLH )※3的结构，预计会形成二聚体※4，但其伴侣的分子尚不清楚。
2 .研究方法成果
本研究探索拟南芥几乎所有转录因子( 1,736个)中与BNB蛋白结合的基因，仅3个转录因子( LRL1/DROP1、LRL2/DROP2、LRL3/DROP3)与BNB结合 这些基因属于名为bHLH亚家族XI的基因家族※5，几乎所有的陆地植物都有相同的基因。 特别是，作为一系列研究的起点，天竺葵只有一个同源基因( MpLRL )。 另外，迄今为止，已知被子植物的LRL/DROP与根毛和根的结构的形成有关，以MpLRL为首的苔藓植物的同源基因与假根的形成有关。 本研究利用基因组编辑※6同时缺失拟南芥的2个LRL/DROP基因时，与丢失BNB基因的情况一样，花粉中的雄原细胞不再分化。 另外，在泽泻中，由于MpLRL的缺失，配子·器官始原细胞的分化和伞状生殖器(雌性器官·托雄器托)的发生已经看不到了。 此时，泽泻、拟南芥的配子体中BNB本身都不再表达，表明LRL/DROP不仅是与BNB的杂二聚体伴侣，也是BNB稳定表达所必需的(图2A-C ) 由此可见，LRL/DROP在植物生活环境中参与各种细胞的分化，在有性生殖中通过与BNB形成杂二聚体调控生殖细胞的分化。 bHLH亚家族XI的基因不仅具有陆地植物，还具有芍药藻类，而BNB所属的bHLH亚家族VIIIa家族的基因只有陆地植物(图2D )，因此，在5亿年前由芍药藻类分离出来的时候，陆地植物开始生长
图2 BNB-LRL/DROP杂二聚体与陆地植物进化
( a )拟南芥未成熟花粉中产生的雄原细胞(箭杆)中，如果存在LRL/DROP，则表达由荧光蛋白GFP标记的BNB (左图: LRL (+ ) )，如果缺失LRL/DROP，则表达GFP-BNB ( b )在成熟花粉中，具有LRL/DROP的野生型中可见2个精细胞(箭头) (左: LRL (+ ) )，但缺失LRL/DROP会导致精细胞丢失(右: lrl (-) )。 ( c )在泽泻中，具有MpLRL的野生型植株中，表达用荧光蛋白质Citrine标记的BNB的配子体始原细胞(绿色)分化，产生生殖器官托的原基(虚线包围的部分) (左: MpLRL (+ ) )，而mmb ( d )陆地植物系统树和bHLH转录因子的分布。 LRL/DROP所属的bHLH亚族XI (绿)在陆地植物和芍药藻类中都有，而BNB所属的bHLH亚族VIIIa (品红)为陆地植物特有。
3 .波及效果，今后的安排
本研究对于植物的生活环境，特别是有性生殖的重要过程之一——生殖细胞的分化，阐明了其部分关键机制及其进化。 今后，通过详细调查BNB-LRL/DROP是通过什么样的机制表达产生生殖细胞的，可以期待弄清陆地植物配子形成的全貌及其进化过程。 我们希望这些植物有性生殖过程的阐明，将有助于农业育种方面新技术的开发和生物技术的发展。
4 .关于研究项目
本研究涉及科研经费补贴学术转型领域( b )“细胞命运操纵下植物生殖系统重塑”、新学术领域“植物新品种诞生原理”、新学术领域“植物发生逻辑多元开拓”、基础研究( s )“陆地植物性别分化:遗传稳健性与可塑性机制”、武田科学振兴财
<术语解释>
※1模式植物:是指为了从分子水平上理解植物中的基本生命现象，可以明确全部基因组信息，进行基因重组(转化)的物种。 被子植物方面，拟南芥、水稻，苔藓植物方面，裂叶藓和泽泻已为人所知。 泽泻是京都大学发行的模式植物，根据以京都大学研究小组为首的国际共同研究，2017年首次明确了所有基因组信息。
※2转录因子:指调节将DNA碱基序列转录到RNA上的“转录”的蛋白质。 所转录的RNA中的一种信使RNA (mRNA )随后被转换成氨基酸序列(翻译)，产生蛋白质。
※3碱性螺旋环螺旋( bHLH ) :蛋白质的氨基酸序列中，具有10个左右赖氨酸和精氨酸等碱性氨基酸，接着形成螺旋状(螺旋)结构的15个左右的氨基酸为610个左右的氨基酸( bHLH ) 与DNA结合的同时，具有生成二聚体(※4 )的性质，主要作为转录因子发挥作用。 广泛存在于真核生物之间的、进化保存的蛋白质的立体结构。
※4二聚体:指由两个相同种类的分子(在此为蛋白质)结合而形成的复合体。 同一个分子结合在一起的叫做同二聚体，不同分子结合在一起的叫做异二聚体。
※5基因家族:指生物物种内部和物种之间具有高度同源性序列的一组基因。 经常有类似的功能。 一般认为，在生物的进化中，在祖先物种中诞生的1个基因，在重复后逐渐具有不同的序列，在分开的生物物种之间继承，从而形成基因家族。
※6基因组编辑:指通过缺失、插入、置换基因组DNA的一部分序列，改变基因结构，使其功能改变、缺失的技术。 2012年报道的CRISPR/Cas9系统因其高效和通用性而被广泛用作主要的基因组编辑技术。
<研究者评论>
该研究提出了“根据其结构预测形成杂二聚体发挥作用的BNB蛋白质的'相’是什么？ ”的疑问出发了。 从包括功能未知的东西在内的多个候选中发现的“相方”，意外地是已经知道了与根、根根、假根形成相关的功能的LRL/DROP。 也就是说，这项研究表明，LRL/DROP通过改变二聚体形成的对象，控制着根等的形成和生殖细胞分化这两个完全不同的现象。 植物从5亿年前就拥有如此严密的控制机制，超越物种并维持到现在，这一点非常有趣。 (斋藤美咲)<论文标题和作者>
标题: a bhlh hetero dimer regulates germ cell differenti ation in land plant gamet ophytes (陆地植物配子体中调控生殖细胞分化的杂二聚体)
作者:斋藤美咲1、枞木亮介1、虾根一生2、3、吉竹良洋1、西滨龙一1、4、宫川拓也1、中野雄司1、
光田展隆5、荒木崇1、河内孝之1、山冈尚平1
1京都大学研究生院生命科学研究科
2基础生物学研究所细胞动态研究部门
3综合研究研究生院大学尖端学术院
4东京理科大学创域理工学部生命生物科学科
5产业技术综合研究所生物过程研究司
刊登杂志: Current Biology
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