重新评估果蝇干细胞非对称分裂过程中组蛋白是否发生不对称分配

《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Reevaluation of whether histones are asymmetrically segregated during asymmetric divisions of stem cells in Drosophila

本研究通过光转化标记技术发现果蝇干细胞（GSC/ISC）分裂中H3.1/H3.3A均呈现对称分配，推翻了既往认为H3.1不对称分配驱动干细胞分化的结论。实验揭示GSC中内源H3.1受3’UTR调控的翻译抑制机制，由Nanos和Pumilio介导，解除抑制后仍保持对称分配且不影响分化。该研究首次明确干细胞不对称分裂不依赖H3.1不对称分配，并发现H3.1转录后调控的新机制。

　　

重要性

先前的研究利用含有荧光标记组蛋白的外源表达系统观察到，在生殖干细胞（GSC）和肠道干细胞（ISC）分裂过程中，已存在的组蛋白亚基3.1（H3.1）优先分配给干细胞，而新的H3.1则分配给分化后的细胞，这表明命运不对称性可能存在表观遗传机制。通过追踪在正常调控下表达的H3.1，我们发现在新旧H3.1的分配上存在对称性。然而，在GSC中，这种天然的H3.1表达受到其3’非编码区（3’UTR）中调控元件的抑制。当这种调控被绕过时，H3.1的分配变得对称，命运不对称性也不再出现。因此我们得出结论：在果蝇（Drosophila）中，已存在的H3.1的不对称分配既不会发生，也不会在干细胞分裂中起因果作用。

摘要

最近的研究表明，已存在的和新合成的经典组蛋白3.1（H3.1）的不对称分配（而非变异型组蛋白3.3A（H3.3A））在果蝇生殖干细胞（GSC）和肠道干细胞（ISC）的分裂中起着重要作用。然而，这些研究依赖于Gal4/UAS系统和Flp-out技术来交换外源荧光蛋白的表达——这种方法将H3.1的表达与细胞周期分离，可能导致实验结果出现偏差。在这里，我们通过在活体果蝇中利用光开关技术（光转换蛋白H3-Dendra2在其天然调控下表达），发现在新分裂的ISC和雄性睾丸中的体细胞囊状干细胞（CySCs）中，新旧H3.1和H3.3A的分配是对称的。虽然在GSC分裂过程中H3.3A的分配是对称的，但我们对GSC中H3.1分配的分析因一个意外发现而变得复杂：在组蛋白转基因背景下，H3.1-Dendra2在其正常调控下在GSC中无法被检测到，这是由于3’UTR中的调控元件导致RNA结合蛋白Nanos和Pumilio介导的翻译抑制作用。不过，当通过使用不含这些调控元件的3’UTR来消除这种抑制时，H3.1-Dendra2在GSC中得以表达，并且分配仍然对称，且不影响细胞命运。当将H3.3A的编码序列编辑为在H3.3A-Dendra2敲入等位基因背景下编码H3.1时，我们也得到了类似的结果。因此，我们的发现挑战了现有的组蛋白不对称分配模型，并揭示了GSC中H3.1转录后抑制的意外分子机制。