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干细胞诱导因子在植物中进行可行的重编程

干细胞自我更新并产生在发育过程中分化的细胞。这些分化的细胞可以在大多数植物中的适当条件下变成干细胞,其中该过程更容易明显,并且一些动物。

研究人员以前通过在拟南芥中诱导单个转录因子成功地从完整的叶子形成新芽。然而,尚不清楚这些转录因子是否诱导分生组织随后诱导干细胞或直接诱导干细胞。为此,日本国立基础生物学研究所的助理教授Masaki Ishikawa和Mitsuyasu Hasebe教授,日本名古屋大学转化生物分子研究所(WPI-ITbM)的指定副教授Yoshikatsu Sato及其合作者发现,诱导转录因子STEM CELL INDUCING FACTOR1(STEMIN1)在叶片中直接将叶细胞转变为苔藓Physcomitrella patens中的干细胞。这种直接干细胞诱导因子的发现将有助于进一步阐明陆地植物中干细胞形成的分子机制。

在大多数植物和一些动物中,分化的细胞可以在适当条件下在发育期间或甚至在发育后恢复为干细胞。虽然干细胞似乎在哺乳动物的胚胎发生后不起作用,但是一些转录因子的诱导诱导体细胞向诱导的多能干(iPS)细胞的转化。然而,植物细胞比动物细胞更具塑性。特别地,在陆地植物的发育和再生期间制造新器官的过程中广泛观察到干细胞形成。然而,Mitsuyasu Hasebe教授说:“虽然已经在被子植物中发现了一些参与干细胞形成的调节因子,但了解陆地植物重编程和干细胞形成的分子机制以及它们的进化仍然具有挑战性。”

Hasebe教授及其同事旨在通过使用苔藓Physcomitrella专利来了解干细胞形成的分子机制并于2005年开始了日本科学技术厅支持的名为“ERATO Hasebe Reprogramming Evolution project”的研究项目。这种苔藓是研究分化细胞干细胞形成的良好模型。在从孢子产生丝状组织(protonema)的菌丝状分枝生长之后形成叶状枝(配子体)。当从游戏机上切下叶子并在培养基上培养时,面向切口的叶细胞转变成干细胞,其可以经历尖端生长和细胞分裂以产生原始瘤。在筛选与干细胞形成有关的因素时,Yohei Higuchi博士和该项目组长Yoshikatsu Sato博士成功地鉴定了一种编码转录因子的基因,该基因将叶细胞转变为干细胞而没有伤害信号,从而导致形成protonemata。佐藤博士说,“这个基因被命名为STEMIN1(STEM CELL-INDUCING FACTOR 1)”。

项目结束后,Masaki Ishikawa博士成功地揭示了干细胞形成过程中STEMIN1的分子机制。他说:“我们发现STEMIN1基因在切除叶片中经历干细胞形成的叶细胞中被激活。此外,STEMIN1及其两个同源基因的缺失延迟了叶片切除后干细胞的形成。这些结果表明STEMIN1在在Physcomitrella中开始形成干细胞的固有机制。“为了进一步了解这种分子机制,来自SOKENDAI(高等研究生院)的研究生Mio Morishita女士专注于STEMIN1-直接靶基因。她发现这些基因的特征是组蛋白H3在赖氨酸-27(H3K27me3)的三甲基化,即所谓的抑制性组蛋白修饰,并且在叶细胞中被转录抑制。与此相反,她还说,“叶细胞中的STEMIN1诱导特异性地降低了细胞分裂前STEMIN1-直接靶基因中的抑制性组蛋白修饰水平,并激活了它们的基因表达,导致干细胞的形成。”

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