Science发现一种以前未知的机制:细胞分化过渡期间对基因表达进行重编程

【字体: 时间:2022年08月08日 来源:Science

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  Albert Cairó, Karel Riha和他们的同事发现了一种以前未知的机制,该机制负责在一个细胞分化成另一个细胞的过渡期间对基因表达进行重编程。这种机制发生在减数分裂末期,这是有性繁殖所必需的一种特殊的细胞分裂,并使生殖细胞和花粉的分化成为可能。这一机制涉及到像液滴一样的细胞内凝聚的关键调控成分的动态定位。这一过程与种子生产密切相关,并可能为开发更可持续的作物以适应更严酷的环境条件打开新的可能性。

  

细胞不是静态实体,而是从一种类型转换为另一种类型。一组特定基因的激活决定了细胞如何专门执行特定任务,并决定了它们何时分裂或何时分化。细胞生物学家Albert Cairó和Karel Riha,结合各种先进的科学方法来研究植物微观世界中那些非常复杂的过程。细胞生物学目前正在经历一场真正的革命,细胞组织的经典观点正在被扩展到新的视野。

“现在我们知道,细胞不仅包含由膜划定的传统细胞器,而且许多分子过程都局限在不太明确的无膜细胞器中,也被称为生物分子凝聚体(biomolecular condensates)。在过去的十年中,这些生物凝聚体的重要性开始被认识到。我们现在通过展示一种特定类型的生物凝聚体是如何在减数分裂结束时形成并抑制蛋白质合成的,从而对这一领域做出了贡献,”该研究的第一作者Albert Cairó解释说,“这一方面终止了减数分裂过程,但另一方面,它标志着基因上不同一代细胞的开始,”但这还不是全部。研究小组认为,类似的机制也作用于其他生物和细胞环境,包括细胞分化或应激反应。

这一发现可能会产生巨大的社会影响。“我们生活在气候紧急状态中。尽管植物可以抵御包括高温和干旱在内的各种压力,但它们的发育和繁殖可能会受到严重损害。这意味着我们正面临粮食产量急剧下降的风险,而此时粮食产量必须提高才能满足人类需求。这就是为什么植物研究现在应该是重点之一,”通讯作者和研究小组负责人Riha解释说。

该实验室的主要任务是阐明与植物繁殖和种子形成密切相关的基本生物过程,这些过程在许多作物中转化为产量。“研究结果表明,生物分子凝聚体在植物的生育能力中发挥着重要作用,它们的行为可能与环境压力有关。因此,很明显,我们的发现是开发新解决方案的第一步,从而在更恶劣的条件下实现持续的作物生产”。

通往发现之路

研究模式植物拟南芥的减数分裂尤其具有挑战性。研究小组集中研究了隐藏在0.1 ~ 0.4毫米小花蕾中的罕见细胞。此外,减数分裂阶段是研究的重点,发生得很快,整个过程需要5到6个小时。因此,它们不容易捕获。研究团队必须使用最先进的技术和相当一部分的创造力和想象力来研究这一过程。

Riha的团队必须建立条件来实时成像花药(雄蕊中含有花粉的部分)内的减数分裂。该团队使用了先进的显微镜技术,成为世界上两个能够观察到植物减数分裂活体的实验室之一。该团队获得的另一项重要专业知识是对原生质体技术的掌握。原生质体是分离出来的植物细胞,被剥离了周围的细胞壁,这使得它们很容易在基因上进行操作,并在显微镜下观察。这项技术使研究小组能够比使用减数分裂细胞更快、更有效地阐明一些问题。

Anna Vargova为理解新描述的复杂机制做出了重要贡献。Pavlina Mikulkova提供了专业知识,并在利用Lightsheet显微镜对减数分裂的活细胞进行成像时提供了她的神奇之手。该研究团队得到了CEITEC核心设施CELLIM和植物科学核心设施的支持。这项研究花费了8年多的时间,由捷克教育部青年和体育赠款项目REMAP资助。“如果没有我们拥有的长期资金,开发这样一个复杂的项目将是极其困难的。事实上,在某个时刻,感觉我们的极限只是我们的想象力,我相信这对我们的深远发现至关重要,”Cairó说。

有趣的是,这个项目并没有涉及任何外部合作,这对于像CEITEC这样的国际研究机构来说是不寻常的。在这种情况下,研究团队进入了一个全新的方向,该研究由Karel Riha研究组的成员独家完成。

文章标题

Meiotic exit in Arabidopsis is driven by P-body-mediated inhibition of translation


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