Science | 植物界“大牛” Meyerowitz 提出CLAVATA3极性调控新机制

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在拟南芥茎尖分生组织（shoot apical meristems, SAMs）中，干细胞分布在顶端，而决定干细胞命运的细胞则分布在基部位置。从顶端至基部，转录因子WUSCHEL（WUS）与分泌肽CLAVATA3（CLV3）形成负反馈调节环，介导干细胞与肋状分生组织下方细胞间的联系。CLV3在顶端分生组织大量表达，而WUS则聚集在肋状分生组织中心。研究表明，WUS蛋白会通过胞间连丝移动到分生组织顶端，结合到CLV3的启动子区调控CLV3的表达【1, 2】。

然而，目前对WUS-CLV3这种从顶端到基底的运动模式是如何产生并维持的分子机制并不清楚。其中一个关键问题是为什么CLV3只能在分生组织顶端被WUS蛋白激活，而不是在WUS大量聚集的基部区域？研究人员对这一问题做出了多种解释，一些假设认为WUS激活CLV3需要一个来自分生组织表皮的未知信号刺激，另一些假设则认为WUS在其表达量较低时可以从抑制态自我转换成激活态【3, 4】，尽管该问题是研究的热点，然而至今没有定论。最近，这个问题似乎有了新的答案。

近日，SCIENCE在线刊登了美国科学院院士Elliot M. Meyerowitz 研究组一篇题目为HAIRY MERISTEM with WUSCHEL confines CLAVATA3 expression to the outer apical meristem layers的研究论文。该研究对CLV3的极性调控提出了一种完全不同的作用机制。在转录因子HAIRY MERISTEM （HAM）缺失的情况下，WUS调控CLV3的表达，而在初分生组织中，HAM的表达梯度是影响CLV3极性分布的关键。

该研究组在前期工作中发现转录因子HAIRY MERISTEM (HAM)家族成员可以与WUS蛋白互作并调控茎干细胞的产生【5】。HAM蛋白参与调控分生组织及CLV3-WUS信号通路，在ham的多突变体中，CLV3在顶端分生组织中异位表达。基于以上研究，研究者利用计算机模拟与实验验证的方法，研究HAM是否参与调控CLV3的表达模式。利用荧光显微技术，通过对同一活体SAM的扫描观察，作者发现HAM与CLV3的表达模式基本互补。顶端CLV3表达水平较高，而在分生组织基部HAM大量表达。作者在全面分析了HAM、WUS及CLV3的表达模式后提出假设：顶端分生组织处HAM不表达，此时CLV3被WUS激活；在基部HAM大量表达，因此WUS对CLV3的激活受到抑制。

HAM和CLV3的表达模式

为了验证这一假设是否正确，作者利用计算机建立3D+t模型模拟CLV3及WUS的表达模式及它们的运动过程。该模型预测了在HAM过量表达的情况下，顶端分生组织中WUS对CLV3的表达激活被抑制。同时在活体SAM区域同样观察到类似的结果，验证了计算机模型的预测结果。为了研究CLV3在分生组织顶端到基部的表达模式是如何受到HAM及WUS的调控，作者进一步利用计算机模型和实验数据进行遗传关系的研究。模型预测结果显示，当SAM中不存在HAM时，CLV3的表达会从底部开始提高，在基部就会达到表达峰值；当WUS表达也下调时，CLV3的表达量也会显著下降，而峰值仍会出现在基部；当WUS完全被抑制，CLV3的表达也被完全抑制。利用原位杂交检测野生型、ham多突变体及ham wus突变体中CLV3的mRNA水平，发现实验结果与计算机预测结果十分吻合。这些结果充分表明WUS及HAM对CLV3表达模式的不同作用：WUS决定了CLV3的表达水平，而HAM则决定CLV3的表达位置。

下一步作者想了解在叶腋处的新分生组织生成的过程中，HAM-WUS-CLV3是否参与CLV3极性表达调控。与已生成的分生组织不同，叶腋分生组织的起始阶段，CLV3是在分生组织边缘开始表达的。作者分析了不同阶段HAM及CLV3的表达水平和位置，发现当分生组织形成初期，HAM1表达没有产生从上至下的梯度差异，此时CLV3只在分生组织基部表达；当后期HAM1基因有明显梯度差异时，CLV3的表达从基部转移至顶端。当HAM1完全不表达时，CLV3则始终在基部有较高水平表达。实验结果也完全验证了模型的预测结果。这些结果证明HAM1的存在与否或浓度梯度是否形成均影响了CLV3的极性分布。

计算机模型预测及实验数据显示CLV3在野生型及ham突变体中的表达模式

本篇文章推翻了之前关于CLV3的表达调控假设，利用计算机模型与实验证据相结合的方法证明了WUS-HAM-CLV3对植物顶端分生组织极性调控的影响。Elliot M. Meyerowitz教授是植物分子生物学研究先驱，在植物激素受体研究及植物花器官和茎尖分生组织发育模式建成的分子机理研究等方面做出了卓越贡献，研究成果发表在Cell、Nature和Science等杂志。近年来其研究方向偏向利用计算机模型回答植物研究领域的科学问题。感兴趣的读者可到其实验室主页查看相关信息。

Elliot M. Meyerowitz 实验室主页：

http://www.its.caltech.edu/~plantlab/

参考文献

1. R. K. Yadav et al., Genes Dev. 25, 2025–2030 (2011).

2. M. Perales et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113, E6298–E6306 (2016).

3. H. Jnsson et al., Bioinformatics 21, i232–i240 (2005).

4. J. Gruel et al., Sci. Adv. 2, e1500989 (2016).

5. Y. Zhou et al., Nature 517, 377–380 (2015)

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