DNA拓扑异构酶1（DNA Topoisomerase 1, TOP1）通过调节陆地植物和后生动物的DNA拓扑结构，在DNA复制和转录中发挥着普遍作用。TOP1还参与特定的发展事件；然而，TOP1是否在多细胞生物中起着保守的发育作用尚不清楚。
2022年1月24日，华中农业大学生命科学技术学院陈春丽教授课题组在New Phytologist在线发表了题为“Topoisomerase 1α is required for synchronous spermatogenesis in Physcomitrium patens”的研究论文。该研究发现，进化发育模式植物小立碗藓中，敲除编码DNA拓扑异构酶1（TOP1）的两个基因之一TOP1α，导致雄性生殖干细胞分裂、分化和精子成熟缺陷（图1）。
图1 突变体TOP1α中从精原细胞有丝分裂时期始出现非同步精子发生
陈春丽课题组通过基因打靶、显微镜、3D图像等实验技术研究了TOP1在小立碗藓Physcomitrium（Physcomitrilla）patens中的发育作用。研究结果发现，在小立碗藓中，TOP1α的破坏，而不是其同源TOP1β的破坏，导致受精缺陷和随后的孢子体形成。在top1α突变体中，卵细胞具有正常受精功能，而精子细胞较少且不育和结构紊乱。进一步观察发现，在精子发育过程中，野生型的精原细胞同步发生有丝分裂和分化成精子细胞，随后精子细胞的细胞核体积同步减小，表明染色质向致密的精子头部凝聚。相反，top1α突变体在整个精子发生过程中表现出细胞分裂减弱和精子细胞核的不同步收缩缺陷。这些结果表明，TOP1对DNA拓扑结构的调控在陆地植物和后生动物的精子发生中起着关键作用。
华中农业大学生命科学技术学院陈春丽教授为该论文通讯作者，已毕业博士研究生顾南（现日本宇都宫大学博士后）为第一作者。日本国立基础生物学研究所长谷部教授和宇都宫大学玉田洋介副教授也提供了课题指导，国立基础生物学研究所壁谷幸子博士为该研究提供部分技术支持。该课题受到国家自然科学基金、华中农业大学科技自主创新基金、国家留学基金委和国家级高端外专引智项目等资助。
陈春丽课题组在国家自然科学基金青年基金项目的启动下，由TOP1开始作为切入点，近年来在模式植物干细胞领域取得以下研究进展：在单子叶模式植物水稻上发现TOP1参与R-loop形成直接作用于生长素激素途径，从而调控植物根尖干细胞发育（Shafiq et al., 2017, Molecular Plant）；基于实验数据进行系统生物学建模，构建了多种激素交互作用于模式植物拟南芥根尖干细胞发育的数字模型(Liu et al., 2017, Molecular Plant)；课题组还发现TOP1抑制剂喜树碱（CPT）增强了进化发育模式植物小立碗藓的切叶再生，进一步研究发现是因为形成TOP-CPT复合体造成DNA损伤效应，从而由DNA损伤激发叶片体细胞直接转变成干细胞（Gu et al., 2020, Nature Plants）。这一有趣发现报道了植物干细胞形成的一种新的诱导因子（Du, 2020, Molecular Plant）。这一系列进展，为探索植物干细胞发育的细胞与分子机制提供了重要的遗传材料新资源和新理论、新视角。
参考文献：
Fei Du. Reprogramming of cell fate by DNA damage in moss. Molecular Plant, 2020, Sep. 8, doi: https://doi.org/10.1016/j.molp.2020.09.009
Junli Liu#, Simon Moore#, Chunli Chen*, Keith Lindsey*. Crosstalk between auxin, cytokinin and ethylene in Arabidopsis root development: from experiments to systems modelling, and back again. Molecular Plant, 2017, 10(12):1480-1496
Nan Gu#, Yosuke Tamada#, Akihiro Imai, Gergo Palfalvi, Yukiko Kabeya, Shuji Shigenobu, Masaki Ishikawa, Karel J. Angelis, Chunli Chen*, and Mitsuyasu Hasebe*. DNA damage triggers reprogramming of differentiated cells to stem cells in Physcomitrella. Nature Plants, 2020,6(9):1098-1105
Sarfraz Shafiq#, Chunli Chen #*, Jing Yang, Lingling Cheng, Fei Ma, Emilie Widemann, Qianwen Sun*. DNA Topoisomerase 1 prevents R-loop accumulation to modulate auxin-regulated root development in rice. Molecular Plant, 2017, 10(6):821-833
原文链接:
https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.17983
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