Изследователски екип от Центъра Джон Инес откри механизъм за уплътняване на спермата на цъфтящи растения и събра улики защо е необходимо
Сперматозоидите имат компактни снопчета ДНК, но как точно и защо ядрата на сперматозоидите се кондензират в цъфтящите растения досега беше мистерия.
Как цъфтящите растения уплътняват своята ДНК в сперматозоидите?
Изследователи от групата на професор Xiaoqi Feng показаха как в цъфтящите растения хроматинът на сперматозоидите, комплекс от ДНК и протеини, се уплътнява от специален хистонов протеин, който спонтанно се самоагрегира, както маслените капчици във вода, феномен, известен като фазово разделяне.
Цъфтящите растения използват механизъм, различен от животните и растенията без семена (като папрати и мъхове). В тези други организми хроматинът на спермата претърпява почти пълно заместване на хистоните с протамини, което силно уплътнява ДНК.
Механизмът на уплътняване в цъфтящите растения е неизвестен, тъй като те нямат протамини, а вместо това поддържат базиран на хистон хроматин.
Изследователският екип на професор Фенг използва микроскопия със супер разделителна способност, сравнителна протеомика, едноклетъчно епигеномно секвениране и 3D картографиране на генома, за да изследва тази мистерия.
Екипът изследва сперматозоидите на Arabidopsis thaliana, вегетативните и листните клетъчни ядра, използвайки микроскопия със супер разделителна способност и идентифицира хистонов вариант H2B.8, който е специфично експресиран в ядрата на сперматозоидите чрез сравнителна протеомика.
H2B.8 има дълъг вътрешно неподреден регион (IDR), характеристика, която често позволява на протеините да претърпят фазово разделяне. Изследването установи, че почти всички видове цъфтящи растения имат H2B.8 хомолози (копия), всички от които съдържат IDR, което предполага важни функции.
Използвайки изображения, епигеномно секвениране и 3D картографиране на генома, изследователите показват, че H2B.8 кондензира ДНК на сперматозоидите чрез индуциране на фазовото разделяне и агрегацията на еухроматина, частта от хроматина, която е сравнително декондензирана и транскрипционно активна.
Тъй като еухроматинът заема по-голямата част от ядрения обем, неговата агрегация е много ефективен механизъм за ядрена кондензация.
Те също така показват, че поради специфичната локализация на H2B.8 в неактивния еухроматин, неговата кондензационна функция не влияе неблагоприятно на транскрипцията и активността на гените.
Защо цъфтящите растения кондензират своята ДНК по този начин?
Много организми имат силно кондензирана сперма. Например, бозайниците произвеждат подвижни сперматозоиди, които плуват, и те се възползват от компактни снопове ДНК в ядрата на спермата си, за да постигнат малка и хидродинамична глава на спермата, която подпомага скоростта на плуване.
Цъфтящите растения произвеждат прашец, който не плува, поставяйки въпроса „защо се получава уплътняване на ДНК в спермата на цъфтящи растения?“
Изследователският екип заключава, че медиираната от H2B.8 кондензация на сперматозоиди е важна за мъжката плодовитост. Изследователите спекулират, че кондензацията на сперматозоидите е важна за цъфтящите растения, при които сперматозоидите трябва да пътуват през дълга поленова тръба, за да достигнат до яйцеклетката, дълбоко вградена в майчините тъкани.
В съответствие с тази идея, голосеменните растения, група от нецъфтящи семенни растения (например иглолистни дървета, цикас), които имат открит яйчен апарат, имат некондензирани ядра на спермата и им липсва H2B.8.
Д-р Тоби Бътрес, първият автор на изследването, каза: „Предлагаме, че H2B.8 е еволюционна иновация на цъфтящи растения, която постига умерено ниво на ядрена кондензация в сравнение с протамините, които жертват транскрипцията за супер уплътняване. H2B.8-медиираната кондензация е достатъчна за неподвижни сперматозоиди и е съвместима с генната активност.
Екипът също предполага, че подобни механизми на ядрена кондензация вероятно ще работят извън цъфтящите растения, в транскрипционно активни клетки, които предпочитат по-малки ядра.
Д-р Бътрес продължава: „Ние открихме първия пример за специфичен вариант на ядрото на хистон, способен да повлияе на свойствата на разделяне на фазите на хроматина. Ние демонстрираме вълнуващ нов механизъм за уплътняване на генома, който не компрометира генната активност.“
Хистон H2B.8 уплътнява спермата на цъфтящи растения чрез разделяне на хроматиновата фаза. https://www.nature.com/articles/s41586-022-05386-6.
