Dev. Cell | 武汉大学植物干细胞生物学团队揭示可移动miRNA介导的植物干细胞巢维持和再生的新机制

责编 | 王一

近日，武汉大学杂交水稻全国重点实验室、高等研究院皮利民研究员研究组在Developmental Cell发表题为A mobile miR160-triggered transcriptional axis controls root stem cell niche maintenance and regeneration in Arabidopsis的研究论文。该研究发现，拟南芥微小RNA miR160能从根尖中柱干细胞移动到静止中心（quiescent center, QC）细胞中，通过调控ARFs-BRAVO转录模块来控制干细胞巢的维持和DNA损伤后的干细胞巢再生。这一非细胞自主性调控新机制的发现促进了我们对干细胞和周围细胞之间如何交流通讯这一发育生物学基本问题的理解。

干细胞是多细胞生物生长发育的细胞来源。干细胞的干性受周围微环境的控制，这种微环境也被称之为干细胞巢（stem cell niche）。植物根尖干细胞巢由分裂频率极低的静止中心（QC）和与之相邻的不同类型干细胞组成。经典的细胞生物学研究表明，QC向周围干细胞递送信号物质，从而将干细胞维持在未分化的状态。然而，周围的干细胞如何反过来影响QC细胞的行为还知之甚少。

早期的研究报道了miR160在促进拟南芥根尖小柱细胞分化方面发挥了重要的作用。在这项研究中，研究者通过比对MIR160s基因表达模式和其靶标基因ARF10/16/17（ARFs）的mRNA和蛋白分布模式，推测成熟的miR160可能会从中柱干细胞移动到QC细胞中，降解ARF10/17的mRNA。随后的miR160 传感器分析和原位杂交实验结果证实了这一推测。为了进一步研究miR160在细胞间移动的生物学意义，研究者通过遗传操作减小QC与周围细胞之间胞间连丝的孔径，从而阻断miR160从中柱干细胞向QC的转运。结果发现QC细胞身份丧失，而且细胞分裂频率显著提高。此外，通过在QC中特异表达不能被miR160剪切的ARF10变体形式或者可以阻断miR160正常行使功能的长链非编码RNA eTM160均可以造成根尖干细胞巢的分化。这些结果表明miR160的胞间运输对维持植物根尖干细胞巢是至关重要的。

图1 miR160从中柱干细胞移动到QC细胞

通过对受miR160-ARF10/16调控的转录组学分析，研究者发现一先前被报道参与抑制QC细胞分裂的重要因子BRAVO。进一步的实验结果表明，ARFs对BRAVO表达的抑制并非通过设想中的阻断WOX5表达途径，而是通过直接结合在BRAVO启动子上游具有开放染色质状态的区段。

图2 ARF10, WOX5和BRAVO在根尖干细胞损伤再生中的表达动态

植物遭受环境胁迫时会引起DNA的损伤。QC细胞对DNA损伤不敏感，但干细胞却非常敏感，严重时会引起细胞死亡。解除DNA损伤胁迫后，QC会开始分裂，修补受损的干细胞。已有报道表明BRAVO在这一过程中发挥了重要的作用。沿着这条线索，研究者接下来探究了miRNA160-ARFs-BRAVO模块是否参与到DNA 损伤诱导的干细胞再生途径。通过时间进程激光共聚焦成像手段发现，根尖经DNA致突变剂bleomycin处理后，中柱干细胞死亡，miR160转运途径受阻，引起QC中ARF10蛋白含量积累，进而抑制了BRAVO的表达。这可能因此激活了QC的分裂，从而补充受损的干细胞。arf10 arf16双突变和miR160过量表达均表现出在DNA损伤情况下干细胞再生能力显著下降，而进一步敲除BRAVO基因后又能部分回复arf10 arf16 双突变的再生缺陷。这为miR160-ARFs-BRAVO调节模块参与DNA损伤诱导的干细胞再生推论提供了强有力的支持。

图3 miR160介导的干细胞维持和再生调控机制模式图

综上所述，可移动的miR160不仅在正常情况下维持着干细胞巢的完整性和稳定性，而且在逆境情况下被用来感受干细胞的死亡，从而启动ARFs-BRAVO转录轴，再生新的干细胞巢。这项研究不仅有助于了我们对miRNA作为位置信息分子载体调控发育模式建成的理解，而且也为农业生产中如何改善逆境条件下DNA损伤对作物干细胞的伤害提供了新的思路。

武汉大学高等研究院博士生蔡茜茜为第一作者，皮利民研究员为该论文通讯作者。武汉大学医学研究院陈燕君博士和德国弗莱堡大学Thomas Laux教授参与了相关工作研究。该项研究得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划项目的资助。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1534580724006063