PNAS丨郭峥团队揭示组蛋白H3.1在果蝇干细胞不对称分裂中对称分布

干细胞经历一次不对称分裂可以产生一个自我更新的干细胞和一个分化的子代细胞。这种细胞命运的不对称性对组织稳态的维持与损伤修复至关重要。既往在果蝇中的研究表明，细胞极性是调控神经母细胞、雄性生殖干细胞（germline stem cells，GSCs）和肠道干细胞（intestinal stem cells，ISCs）不对称分裂的核心机制之一。此外，干细胞微环境被证明是处于微环境（niche）中的子代细胞建立和维持干细胞命运的关键。例如果蝇生殖干细胞微环境所分泌的BMP信号建立和维持了邻近GSCs的干细胞命运【1】 。

除上述提到的机制外，约翰霍普金斯大学的Xin Chen团队采用热激（温度）转换的双色荧光组蛋白表达系统，发现在果蝇GSC与ISC不对称分裂过程中，复制依赖的组蛋白H3.1（histone H3.1，H3.1）在两个子代细胞之间呈现“新-旧组蛋白不对称分布”的模式：即干细胞原有的组蛋白H3.1（旧组蛋白）在干细胞不对称分裂的过程中分配到了将来成为干细胞的子代细胞中，而在有丝分裂过程中新合成的组蛋白H3.1（新组蛋白），则被分配到将来分化的子代细胞中【2,3】 。这一结果提示继承于干细胞中的旧组蛋白H3.1所承载的表观遗传修饰，决定了子代细胞干细胞的命运。

2025年10月31日，华中科技大学同济医学院郭峥团队在PNAS上发表了题为

Reevaluation of whether histones are asymmetrically segregated during asymmetric divisions of stem cells in

Drosophila

为在活体生理条件下对果蝇内源组蛋白进行标记和追踪，该团队采用光转换荧光标签Dendra2对内源性组蛋白H3.3和H3.1进行标记【4】。Dendra2在自然状态下呈现绿色荧光，经380-420 nm紫外光激发后不可逆地转变为红色荧光【5, 6】。利用该光转换特性，研究人员在时间维度上建立了一个新-旧组蛋白标记体系：光转换后细胞内原有H3被标记为红色，而随后新合成的H3则被标记为绿色，从而使新旧H3变得可区分且可追踪。

为实现Dendra2活体水平的光学转换，郭峥团队将自主开发的FlyVAB活体果蝇成像装置【7】与395 nm紫外光源结合，构建了活体光转换系统（图1）。

图1 活体果蝇Dendra2光转换装置

利用该系统对雌蝇ISC的研究表明：在ISC不对称分裂的前期（prophase）和中期（metaphase），“新-旧”H3.3-Dendra2和H3.1-Dendra2表现一致性分布；进入分裂后期（anaphase）和末期（telophase）后，“新-旧”H3.3-Dendra2和H3.1-Dendra2在子代细胞中呈现对称性分布（图2A，B）。同时，在雄性CySC的不对称分裂过程中，“新-旧”H3.3-Dendra2和H3.1-Dendra2也呈现对称分布模式。

图2 ISC不对称分裂过程中新旧H3.1-Dendra2呈对称分布

令人意外的是，该研究发现H3.1-Dendra2在GSC中未检测到信号，这使其分布模式无法直接检测（图3）。相比之下，H3.3-Dendra2在GSCs中表达显著，并在其不对称分裂过程中始终保持对称分布。为突破这一表达限制，研究团队采用了三种策略，以探明H3.1在GSC中的分布模式。

图3 GSC中检测不到H3.1-Dendra2的表达

首先，该研究团队利用H3.3缺陷型突变体，试图通过其可能引发的H3.1补偿性表达机制，来“迫使”GSCs表达H3.1-Dendra2。然而实验表明，即便在此条件下，H3.1-Dendra2的表达仍被完全抑制。这提示了H3.1在生殖系中受到严格调控。与此同时，该研究发现H3.3A（H3.3的编码基因之一）的表达水平对干细胞的维持至关重要：其表达量的轻微减少就会直接导致干细胞丢失，这凸显了H3.3A在维持干细胞功能中不可替代的核心作用。

其次，研究人员利用CRISPR-Cas9技术，将H3.3A编码序列替换为H3.1，构建出H3.3AH3.1-Dendra2嵌合品系。结果显示，该嵌合蛋白在GSC不对称分裂过程中新旧组蛋白呈对称分布。然而，进一步研究发现，该“替换”同样引起了GSC丢失，进一步证实了H3.3A在干细胞维持中具有独特且不可替代的作用。

最后，为避免对H3.3A功能的影响，研究团队将H3.1的3'UTR替换为H3.3A的3'UTR，构建了H3.1’-Dendra2转基因品系，成功实现了该蛋白在GSC中的表达。结果显示，“新-旧”H3.1’-Dendra2在GSC不对称分裂中仍呈现对称分布模式（图4A，B）。

图4 H3.1’-Dendra2在GSC不对称分裂过程中呈对称分布

综上所述，该研究通过创新的活体荧光标记光转换技术，提示内源性“新-旧”组蛋白H3.1与H3.3在果蝇干细胞不对称分裂中均遵循对称分布模式。更为重要的是，该研究不仅揭示了H3.1在GSC中被抑制调控的新机制，还确立了H3.3A在维持GSC命运中不可替代的核心作用，为理解生殖干细胞干性维持的表观遗传调控提供了新的视角。

华中科技大学基础医学院医学遗传学系博士生李安奇和童东为文章共同第一作者，郭峥教授和美国西南医学中心的Benjamin Ohlstein副教授为共同通讯作者。

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2513015122

制版人： 十一

参考文献

1 Xie, T. & Spradling, A. C. decapentaplegic is essential for the maintenance and division of germline stem cells in the Drosophila ovary.Cell94, 251-260, doi:S0092-8674(00)81424-5 [pii] (1998).

2 Tran, V., Lim, C., Xie, J. & Chen, X. Asymmetric division of Drosophila male germline stem cell shows asymmetric histone distribution.Science338, 679-682, doi:10.1126/science.1226028 (2012).

3 Seegar, T. C. M. et al. Structural Basis for Regulated Proteolysis by the alpha-Secretase ADAM10.Cell171, 1638-1648 e1637, doi:10.1016/j.cell.2017.11.014 (2017).

4 Shindo, Y. & Amodeo, A. A. Dynamics of Free and Chromatin-Bound Histone H3 during Early Embryogenesis.Current biology : CB29, 359-366 e354, doi:10.1016/j.cub.2018.12.020 (2019).

5 Gurskaya, N. G. et al. Engineering of a monomeric green-to-red photoactivatable fluorescent protein induced by blue light.Nature biotechnology24, 461-465, doi:10.1038/nbt1191 (2006).

6 Chudakov, D. M., Lukyanov, S. & Lukyanov, K. A. Tracking intracellular protein movements using photoswitchable fluorescent proteins PS-CFP2 and Dendra2.Nature protocols2, 2024-2032, doi:10.1038/nprot.2007.291 (2007).

7 Tang, R. et al. Intravital imaging strategy FlyVAB reveals the dependence of Drosophila enteroblast differentiation on the local physiology.Communications biology4, 1223, doi:10.1038/s42003-021-02757-z (2021).

学术合作组织

（*排名不分先后）

战略合作伙伴

（*排名不分先后）

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

近期直播推荐

点击主页推荐活动

关注更多最新活动！