植物精子被压缩之谜

组蛋白通过相分离使植物精子染色质和细胞核浓缩    

精子细胞有紧密的DNA束，但直到现在，开花植物中精子细胞核是如何以及为什么凝结一直是个谜。

Xiaoqi Feng教授团队研究小组发现了开花植物精子压缩的机制，并收集了关于为什么需要它的线索。

开花植物是如何在精子细胞中压缩DNA的?

Xiaoqi Feng教授团队的研究人员展示了在开花植物中，精子染色质(DNA和蛋白质的复合物)是如何被一种特殊的组蛋白压实的，这种组蛋白会自发地自我聚集，就像油滴在水中一样，这种现象被称为相分离。

开花植物与动物和非种子植物(如蕨类和苔藓)使用不同的机制。在这些其他的生物中，精子染色质经历了组蛋白几乎完全被鱼精蛋白取代的过程，鱼精蛋白高度致密DNA。

开花植物的压实机制尚不清楚，因为它们没有鱼精蛋白，而是保持组蛋白基染色质。

Feng教授的研究团队使用了超分辨率显微镜、比较蛋白质组学、单细胞型表观基因组测序和3D基因组制图来研究这个谜团。

该团队使用超分辨率显微镜检查了拟南芥的精子、营养细胞核和叶细胞核，并发现了组蛋白变体H2B.8。通过比较蛋白质组学，在精子核中特异性表达。

H2B.8具有一个长内在无序区(IDR)，这一特征经常使蛋白质发生相分离。研究发现，几乎所有开花植物物种都含有H2B.8的同源拷贝(副本)，所有都包含一个IDR，表示重要功能。

通过成像、表观基因组测序和3D基因组制图，研究人员发现H2B.8通过诱导常染色质的相分离和聚集来浓缩精子DNA，常染色质是染色质中相对致密和转录活性较高的部分。

由于常染色质占核体积的大部分，其聚集是一种高效的核凝聚机制。

他们还表明，由于H2B.8的特定定位，在非活性常染色质中其凝结功能不会对基因的转录和活性产生不利影响。

为什么开花植物以这种方式凝结它们的DNA ?

许多生物都有高度浓缩的精子。例如，哺乳动物能产生游动的精子，它们受益于精子核中紧密的DNA束，从而形成一个小的、具有流体动力的精子头，有助于提高游泳速度。

开花植物产生的花粉不会游动，这就提出了一个问题:“为什么在开花植物的精子中会发生DNA压缩?””

研究小组得出结论，H2B.8介导的精子凝结对雄性生育能力很重要。研究人员推测，精子凝结对开花植物很重要，在开花植物中，精子细胞需要通过一个长长的花粉管到达深埋在母体组织中的卵细胞。

与这一观点一致的是，裸子植物，一组没有开花的种子植物(如针叶树，苏铁)，有暴露的卵器，有不凝结的精子核，缺乏H2B.8。

该研究的第一作者Toby Buttress博士说:“我们认为H2B.8是一种开花植物的进化创新，与鱼精蛋白相比，它实现了中等水平的核凝结，而鱼精蛋白牺牲了转录，实现了超级压缩。H2B.8介导的凝结足以使精子静止，并与基因活性兼容。”

研究小组还推测，这种核凝结机制可能发生在开花植物之外的转录活性细胞中，这些细胞倾向于较小的细胞核。

Buttress博士继续说:“我们已经发现了第一个能够影响染色质相分离特性的特定核心组蛋白变体的例子。我们展示了一种令人兴奋的基因组压缩新机制，它不会影响基因活性。”