表观遗传重编程是生殖细胞发育过程中高度保守的现象。动植物的配子发生过中涉及DNA甲基化和组蛋白甲基化等多种表观遗传修饰的大规模重编程，以重置下一代的基因转录。哺乳动物精子发生过程中，父源的染色质通过全局性DNA甲基化去除和组蛋白被鱼精蛋白替换进行广泛的重编程。不同于动物的减数分裂产物即直接是配子，植物雄性减数分裂产生的小孢子仍需经历两次连续的有丝分裂才产生精细胞。小孢子首先通过第一次不对称的花粉有丝分裂（PMI）形成一个双细胞花粉，包含一个较大的营养细胞（VC）和一个较小的生殖细胞（GC）。与在G1期停滞的VC不同，GC经历第二次花粉有丝分裂（PMII），产生两个精细胞（SC）。因此，一个成熟的花粉粒包含两个完全被VC细胞质包裹的SC。在精细胞形成过程中VC的异染色质完全去浓缩，而SC仍保留高度浓缩的异染色质。与VC中异染色质去凝聚的现象一致，植物中典型的异染色质marker H3K9me2在SC中高度富集，而在VC中被擦除。然而，作为植物中最经典的异染色质marker，H3K9me2如何被建立的并不清楚，尤其是花粉的两类细胞中H3K9me2在花粉有丝分裂过程中如何被差异调控的机制完全不清楚。
2024年8月16日，郑丙莲课题组在Nature Communications在线发表了题为“ARID1 is required to regulate and reinforce H3K9me2 in sperm cells in Arabidopsis”的研究论文。该研究观察了H3K9me2在花粉有丝分裂过程中的动态表达模式，揭示了花粉特异表达的转录因子ARID1参与H3K9me2的调控及精细胞核异染色质浓缩的新机制。
为了探究ARID1参与H3K9me2调控的机制，我们首先利用免疫荧光实验观察了H3K9me2在花粉有丝分裂整个过程中的分布模式。结果发现H3K9me2在减数分裂后释放的小孢子中富集，但在第一次有丝分裂（PMI）结束后，VC中的H3K9me2逐渐被擦除，并在第二次有丝分裂（PMII）前完全消失，而在GC和SC中仍保持H3K9me2的富集。进一步通过对ARID1在花粉中的亚细胞定位观察，我们发现ARID1与H3K9me2在小孢子和第二次有丝分裂前的VN和GN中共定位。遗传证据表明ARID1的突变导致H3K9me2在花粉第一次有丝分裂结束后的VN，GN和SN中的富集明显减弱。而GN/SN特异过表达ARID1则增强H3K9me2的富集。更重要的是，arid1突变体中VN和SN的大小均变大，而过表达ARID1显著促进SN的核浓缩。利用花粉为材料的ChIP-seq实验表明arid1突变体中~80%的H3K9me2富集位点的结合强度明显减弱，且这些位点具有较低的DNA甲基化水平和异染色质marker的富集。与此同时，花粉中~80% ARID1的结合位点上富集H3K9me2，且ARID1结合的转座子（TE）位点几乎均有H3K9me2的富集。这些结果表明ARID1可以结合到H3K9me2的位点并促进H3K9me2的建立。植物中H3K9me2的建立完全依赖于三个组蛋白甲基转移酶SUVH4/5/6，一系列分子实验及荧光信号观察结果显示ARID1能够结合到未甲基化的H3K9并与SUVH6在花粉中相互作用，进一步招募SUVH6到异染色质，从而建立和加强精细胞中H3K9me2的水平。综上，我们的结果揭示了H3K9me2在花粉有丝分裂过程中的动态分布模式以及ARID1在调控花粉两种细胞类型之间H3K9me2差异模式的新机制。
图注：在花粉第一次有丝分裂（PMI）结束后，VC中的染色质去浓缩，而GC中的染色质仍保持浓缩的状态。与此同时，H3K9me2在VN中逐渐减少，而在GN和SN中保持不变。ARID1通过促进SUVH4/5/6在早期GC中的定位，并招募SUVH4/5/6到染色质，减缓VN中H3K9me2的擦除，并促进GN和SN中H3K9me2的维持，以此调节VC与GC/SC之间H3K9me2的差异表达。PMI，花粉有丝分裂I；PMII，花粉有丝分裂II；VN，营养核；GC，生殖细胞；SC，精细胞；BP，双细胞花粉。
复旦大学生命科学学院郑丙莲教授课题组博士后李磊为本文第一作者，郑丙莲教授为通讯作者。德国莱布尼茨植物遗传和作物植物研究所江华教授参与了该研究工作。复旦大学博士生杨怀昊，赵诣，胡倩倩，张小跎，蒋婷博士也参与了该项工作。本研究得到了国家自然科学基金杰青项目、重点项目、青年基金项目等资助。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51513-4