拟南芥组蛋白超家族及H3-H4分子伴侣在精细胞特异染色质形成上的功能研究

The chromatin structure of the sperm cell is more compact compared to the other somatic cells and this feature is highly conserved in plant and animal. The condensed chromatin is essential for male fertilization and is also likely to shield the genome from degradation by nucleases, irradiation and mechanical forces. In animals, extreme compaction occurs as histone-based nucleosomes are replaced by highly basic protamines. However, flowering plants do not produce and package the sperm cell genome using protamines. Instead, previous studies in Arabidopsis have identified a H3.3 variant H3.10, that is specifically accumulated in sperm cell nucleus, suggests a male germline-specific nucleosome is existed. To identify the potential sperm cell specific nucleosome isoform as well as the involved histone chaperones, we propose to systematically analyze the dynamic expression pattern of histone family members through the sperm cell development; Meanwhile, we’ll try to pull out the interaction proteins with H3.10 by pull-down/MS analysis in the pollen, to further confirm the sperm cell nucleosome organization. On the other hand, reverse genetic analysis will be applied to dissect the function of the previously identified H3-H4 histone chaperones in shaping the sperm cell specific chromatin structure.

精细胞在染色质形态结构上较之于体细胞而言明显更加凝聚，该特点在动、植物中高度保守。精细胞中高度凝聚的染色质是完成受精所必需的,同时也能保护遗传物质免受核酸酶、辐射及机械力损伤。哺乳动物的精子在发育过程中碱性精蛋白逐步渗入DNA并取代原有的核小体结构，形成精细胞特异的染色质高级结构。虽然在高等植物中并未发现精蛋白，但是拟南芥中存在精细胞特异表达的组蛋白H3.3变体（H3.10），暗示在高等植物中也可能存在精细胞特异的核小体形式。为了明确拟南芥中精细胞特异的核小体组成，以及可能参与染色质重塑的组蛋白分子伴侣，本项目将系统分析在拟南芥雄配子发育过程中组蛋白超家族的表达模式，同时通过体内免疫共沉淀结合质谱分析等方法寻找H3.10相互作用的蛋白，来确定可能的精细胞核小体构成。另一方面本项目还将对已知的H3-H4组蛋白分子伴侣进行反向遗传学研究，为找出精细胞形成过程中染色质重塑的分子机理奠定物质基础。

在拟南芥雄配子体形成过程中，通过一次非对称有丝分裂，产生了命运截然不同的两种细胞核类型，即：精核和营养核。然而受限于稀缺的实验材料，围绕在这两种细胞类型的染色质水平上的研究一直比较滞后。生殖细胞中染色质组成，高级结构，以及表观修饰重编程等关键问题一直没有明确答案。通过本项目的开展，我们在植物生殖细胞系统中，建立了一系列超灵敏的染色质检测技术（SMART-seq, ATAC-seq, Native ChIP-seq 等），并在拟南芥成熟花粉的精核及营养核中对其转录组，染色质开放程度，以及组蛋白水平上的表观修饰等做了细致分析。我们发现精核的染色质代表了一种未分化的细胞类型，其染色质结构相对较为紧密，并且高度富集二价染色质结构（即：抑制性组蛋白修饰（H3K27me3）和激活型修饰(H3K4me3)共同存在于基因组的绝大多数位点）。于此相反的是营养核的染色质代表的是一种高度分化的细胞类型，染色质结构非常松散，H3K27me3修饰存在于大量表达受到抑制的基因位点上。值得一题的是，通过整合三种高通量数据，我们的实验结果揭示了拟南芥雄配子体中两种不同分化类型的细胞中染色质特征，并建立了染色质高级结构和组蛋白修饰对基因表达调控的影响。