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李传友研究组发现转录中介体调控干细胞不对称分裂和根形态建成的机理

【PDF原文: Mediator subunit MED31 is required for radial patterning of Arabidopsis roots

  多细胞生物的器官发生和生长发育依赖于干细胞的不对称分裂。与动物干细胞类似,植物干细胞的不对称分裂和特性维持通常由少数几个核心转录因子控制。因此,核心转录因子如何与RNA聚合酶II通用转录机器“密切沟通”从而实现对靶标基因时空特异性表达的精确控制是发育生物学领域的一个重大问题。

Mediator subunit MED31 is required for radial patterning of Arabidopsis roots

Abstract

Stem cell specification in multicellular organisms relies on the precise spatiotemporal control of RNA polymerase II (Pol II)-dependent gene transcription, in which the evolutionarily conserved Mediator coactivator complex plays an essential role. In Arabidopsis thaliana, SHORTROOT (SHR) and SCARECROW (SCR) orchestrate a transcriptional program that determines the fate and asymmetrical divisions of stem cells generating the root ground tissue. The mechanism by which SHR/SCR relays context-specific regulatory signals to the Pol II general transcription machinery is unknown. Here, we report the role of Mediator in controlling the spatiotemporal transcriptional output of SHR/SCR during asymmetrical division of stem cells and ground tissue patterning. The Mediator subunit MED31 interacted with SCR but not SHR. Reduction of MED31 disrupted the spatiotemporal activation of CYCLIND6;1 (CYCD6;1), leading to defective asymmetrical division of stem cells generating ground tissue. MED31 was recruited to the promoter of CYCD6;1 in an SCR-dependent manner. MED31 was involved in the formation of a dynamic MED31/SCR/SHR ternary complex through the interface protein SCR. We demonstrate that the relative protein abundance of MED31 and SHR in different cell types regulates the dynamic formation of the ternary complex, which provides a tunable switch to strictly control the spatiotemporal transcriptional output. This study provides valuable clues to understand the mechanism by which master transcriptional regulators control organ patterning.     

  在模式植物拟南芥中,干细胞组织中心及其周围的干细胞共同构成了根尖干细胞微环境。其中的皮层/内皮层干细胞通过不对称分裂产生皮层和内皮层两层细胞,它们共同被称为根基本组织。已有的研究表明,核心转录因子SHORT ROOT (SHR)和SCARECROW (SCR)在皮层/内皮层干细胞的不对称分裂及根基本组织模式建成中起至关重要的作用。然而,人们尚不清楚SHR-SCR如何与通用转录机器密切沟通,从而精确控制靶标基因的时空特异性表达。     

  中国科学院遗传与发育生物学研究所李传友研究组的研究表明,在进化上高度保守的转录中介体亚基MED31通过控制SHR-SCR介导的时空特异性转录输出而调控干细胞的不对称分裂。他们的研究发现,MED31与SCR直接相互作用而不与SHR直接互作。MED31、SCR和SHR通过形成动态三元复合体而控制靶标基因的时空特异性表达。MED31和SHR以浓度依赖的方式竞争结合SCR,从而调控MED31-SCR-SHR三元复合体的动态形成。高浓度的SHR干扰SCR结合MED31;当SHR处于合适浓度时,SCR可以结合MED31,从而连接RNA聚合酶II通用转录机器,启动下游靶基因转录。该研究成果表明,MED31和SCR的动态相互作用控制着SHR-SCR复合体的转录输出,进而决定了干细胞的不对称分裂。  

  这一突破性研究揭示了转录中介体在“沟通”转录因子和通用转录机器中的作用方式。该研究于2018年5月29日在PNAS杂志上线发表(DOI:10.1073/pnas.1800592115)。李传友研究组的博士研究生张潇月、周文焜和山东农业大学的陈谦教授是该论文的共同第一作者。该研究得到科技部重大科学研究计划项目和国家自然科学基金委项目的资助。 

 

  图:MED31-SCR-SHR三元复合体调控干细胞不对称分裂的作用模式 

【PDF原文: Mediator subunit MED31 is required for radial patterning of Arabidopsis roots

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