責編 | 王一
近日，武漢大學雜交水稻全國重點實驗室、高等研究院皮利民研究員研究組在Developmental Cell發表題為A mobile miR160-triggered transcriptional axis controls root stem cell niche maintenance and regeneration in Arabidopsis的研究論文。該研究發現，擬南芥微小RNA miR160能從根尖中柱幹細胞移動到靜止中心（quiescent center, QC）細胞中，透過調控ARFs-BRAVO轉錄模組來控制幹細胞巢的維持和DNA損傷後的幹細胞巢再生。這一非細胞自主性調控新機制的發現促進了我們對幹細胞和周圍細胞之間如何交流通訊這一發育生物學基本問題的理解。
幹細胞是多細胞生物生長發育的細胞來源。幹細胞的乾性受周圍微環境的控制，這種微環境也被稱之為幹細胞巢（stem cell niche）。植物根尖幹細胞巢由分裂頻率極低的靜止中心（QC）和與之相鄰的不同型別幹細胞組成。經典的細胞生物學研究表明，QC向周圍幹細胞遞送訊號物質，從而將幹細胞維持在未分化的狀態。然而，周圍的幹細胞如何反過來影響QC細胞的行為還知之甚少。
早期的研究報道了miR160在促進擬南芥根尖小柱細胞分化方面發揮了重要的作用。在這項研究中，研究者透過比對MIR160s基因表達模式和其靶標基因ARF10/16/17（ARFs）的mRNA和蛋白分佈模式，推測成熟的miR160可能會從中柱幹細胞移動到QC細胞中，降解ARF10/17的mRNA。隨後的miR160 感測器分析和原位雜交實驗結果證實了這一推測。為了進一步研究miR160在細胞間移動的生物學意義，研究者透過遺傳操作減小QC與周圍細胞之間胞間連絲的孔徑，從而阻斷miR160從中柱幹細胞向QC的轉運。結果發現QC細胞身份喪失，而且細胞分裂頻率顯著提高。此外，透過在QC中特異表達不能被miR160剪下的ARF10變體形式或者可以阻斷miR160正常行使功能的 eTM160均可以造成根尖幹細胞巢的分化。這些結果表明miR160的胞間運輸對維持植物根尖幹細胞巢是至關重要的。
圖1 miR160從中柱幹細胞移動到QC細胞
透過對受miR160-ARF10/16調控的轉錄組學分析，研究者發現一先前被報道參與抑制QC細胞分裂的重要因子BRAVO。進一步的實驗結果表明，ARFs對BRAVO表達的抑制並非透過設想中的阻斷WOX5表達途徑，而是透過直接結合在BRAVO啟動子上游具有開放染色質狀態的區段。
圖2 ARF10, WOX5和BRAVO在根尖幹細胞損傷再生中的表達動態
植物遭受環境脅迫時會引起DNA的損傷。QC細胞對DNA損傷不敏感，但幹細胞卻非常敏感，嚴重時會引起細胞死亡。解除DNA損傷脅迫後，QC會開始分裂，修補受損的幹細胞。已有報道表明BRAVO在這一過程中發揮了重要的作用。沿著這條線索，研究者接下來探究了miRNA160-ARFs-BRAVO模組是否參與到DNA 損傷誘導的幹細胞再生途徑。透過時間程序鐳射共聚焦成像手段發現，根尖經DNA致突變劑bleomycin處理後，中柱幹細胞死亡，miR160轉運途徑受阻，引起QC中ARF10蛋白含量積累，進而抑制了BRAVO的表達。這可能因此激活了QC的分裂，從而補充受損的幹細胞。arf10 arf16雙突變和miR160過量表達均表現出在DNA損傷情況下幹細胞再生能力顯著下降，而進一步敲除BRAVO基因後又能部分回覆arf10 arf16 雙突變的再生缺陷。這為miR160-ARFs-BRAVO調節模組參與DNA損傷誘導的幹細胞再生推論提供了強有力的支援。
圖3 miR160介導的幹細胞維持和再生調控機制模式圖
綜上所述，可移動的miR160不僅在正常情況下維持著幹細胞巢的完整性和穩定性，而且在逆境情況下被用來感受幹細胞的死亡，從而啟動ARFs-BRAVO轉錄軸，再生新的幹細胞巢。這項研究不僅有助於了我們對miRNA作為位置資訊分子載體調控發育模式建成的理解，而且也為農業生產中如何改善逆境條件下DNA損傷對作物幹細胞的傷害提供了新的思路。
武漢大學高等研究院博士生蔡茜茜為第一作者，皮利民研究員為該論文通訊作者。武漢大學醫學研究院陳燕君博士和德國弗萊堡大學Thomas Laux教授參與了相關工作研究。該項研究得到了國家自然科學基金和國家重點研發計劃專案的資助。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1534580724006063
