拟南芥根表皮细胞命运的调控:多重反馈环的重要性外文翻译资料

拟南芥根表皮细胞命运的调控:多重反馈环的重要性

作者：John Schiefelbein*, Ling Huang and Xiaohua Zheng

单位：Department of Molecular, Cellular, and Developmental Biology, University of Michigan, Ann Arbor, MI, USA

摘要：

多细胞生物中不同细胞类型的特异性是通过建立差异基因表达来实现的。一个主要的问题是在时间和空间上建立这种差异表达的机制的性质。在植物中，根表皮中毛细胞和非毛细胞类型的形成已被用作理解细胞类型调节的模型。最近的发现显示了影响根表皮细胞命运的多个转录因子基因/蛋白质之间的调节相互作用的数量和类型的惊人的复杂性。在这里，我们描述了这个调节网络和多重反馈回路对它的建立和维护的重要性。

关键词：根毛；转录因子；模式形成；反馈环；拟南芥

1拟南芥根中的表皮细胞模式

拟南芥根中根毛细胞和非根毛细胞的类型是了解植物细胞命运决定的一个经过充分研究的模型^[1,2,3]。新形成的表皮细胞位于裂口外，将两个相邻的底层毛细胞分开（“H”细胞位置）分化成根毛细胞，而非位于裂口上方的表皮细胞（“N”细胞位置），由于细胞类型特异性基因表达的差异而发育为非毛细胞（图1）^[4,5,6]。过去20年的遗传和分子研究现在已经提供了为建立这种细胞类型基因表达差异的转录调节因子的相当清晰的图像。令人惊讶的是，在根表皮细胞的分化过程中，这些转录因子会产生大量的调控机制和相互作用。在本小型综述中，我们描述了基本的转录因子组分，然后概述了许多类别的调节机制及其在确定表皮细胞命运中的作用。

2网络的基本组成部分

在其核心，根表皮中的细胞命运取决于由三种蛋白质组成的转录因子复合物的相对丰度：Myb 结构域蛋白 WEREWOLF (WER)^[7]，两种还原性作用的bHLHs GLABRA3 (GL3) 和 ENHANCER OF GLABRA3 (EGL3)^[8,9,10,11]，以及 WD-repeat TRANSPARENT TESTA GLABRA (TTG1) ^[12]。产生大量这种 WER-bHLH-TTG 复合物的分化表皮细胞表达下游 HD-ZIP 基因 GLABRA2 (GL2)，该基因抑制促进 bHLH ROOT HAIR DEFECTIVE 6 (RHD6) 的毛细胞转录^[13,14]，导致数十种非毛细胞特异性基因的表达和非毛细胞命运（图 1）^[6,15]。不积累大量 WER-bHLH-TTG 复合物的分化细胞能够表达 RHD6，因此，启动了数百个根毛细胞特异性基因的转录^[6,16]。鉴于 WER-bHLH-TTG 转录复合物对细胞命运决定的关键作用，人们对定义和理解调节其在两种细胞类型中积累的机制产生了浓厚的兴趣。最近的研究发现了一系列负责控制这一关键复合物丰度的细胞内和细胞间机制。

图1. 拟南芥根表皮细胞命运规格的分子遗传调控。根毛特异性基因表达发生在位于相邻皮质细胞(最右边的细胞)之间裂隙中的分化表皮细胞中。基因调节活性用带箭头(正转录效应)或条形(负转录效应)的实线表示。虚线表示细胞内或细胞间的蛋白质运动。此处显示的下游基因来自Bruex et al. (2012)^[6]，根据它们在cpc try(非毛发)突变体与ttg1、wer myb23或gl3 egl3(毛发)突变体的根表皮中的累积，将其定义为毛发或非毛发基因。

3网络中的监管机制

3.1侧向抑制

WER-bHLH-TTG 复合物的活性被一组小的单重复 Myb 蛋白抑制，其中包括 CAPRICE (CPC)、TRIPTYCHON (TRY) 和 ENHANCER OF TRY 和CPC1 (ETC1) ^{[17,18,19,20]}。这些蛋白质能够与 GL3/EGL3 bHLH 结合，竞争性地抑制 WER 结合并产生非功能性复合物^[21]。因此，这些蛋白质在 H 位细胞中积累，从而促进毛细胞的命运^[22,23]。出乎意料的是，由于 WER-bHLH-TTG 复合物本身的正向调节，发现这些单重复 Mybs 的转录主要发生在 N 细胞中，并且蛋白质似乎通过胞间连丝移动以在 H 细胞中积累^[22,23]。采用非毛发命运（积累 WER-bHLH-TTG）的细胞产生可扩散分子（CPC/TRY/ETC1）以阻止相邻细胞采用相同命运（通过抑制 WER-bHLH-TTG）的能力作用）有效地代表了一种侧向抑制机制，这是多细胞生物广泛采用的一种通用策略，用于在最初等效的细胞领域中建立不同的细胞身份^[25]。这里使用的侧向抑制的不寻常之处在于它的直接性质。抑制细胞产生的分子被用作受体细胞的信号和抑制剂。

3.2多个发育时期的反馈

尽管 CPC、TRY 和 ETC1 基因都受到 WER-bHLH-TTG 复合物的正向调控，但对 TRY 的影响是间接的，因为它位于 N 细胞调节因子 GL2 的下游（图 1）^[11,20]。 这意味着相对于CPC和ETC1，TRY的生产将会出现开发延迟。由于CPC/ETC1和TRY蛋白是不同亚型的成员，其性质似乎各不相同^[25]，因此在表皮发育过程中，该调节组织可能产生不同比例的亚型，这对模式建立很重要。

3.3正面反馈

MYB23蛋白是与WER关系最密切的拟南MYB，MYB23能够在根毛发育中替代WER^[26]。此外，MYB23 基因处于 WER-bHLH-TTG 复合物的正转录调控控制之下。综上所述，由于假定 MYB23 参与了复合体^[26]，这些数据表明 MYB23 基因参与了 N 细胞中的正反馈环路（图 1）。影响 WER-bHLH-TTG 复合物的正反馈回路的识别是令人满意的，因为模式形成中横向抑制的理论模型通常需要这种自我促进回路来产生稳定的活化剂积累峰值，即使在存在高抑制剂水平^[24,27]。因此，在根表皮系统中，缺乏 MYB23 功能的突变体不太能够采取适当的细胞命运决定^[26]。

3.4相互加强的循环

由于WER-bHLH-TTG复合体对GL3和EGL3 bHLH基因进行负转录调控，因此发现这些基因在发育中的根表皮的H细胞中优先转录，并且它们的转录物优先积累^[10]。这是一个意外的发现，因为GL3和e GL3蛋白是N细胞正常功能和分化所必需的。基于GFP标记蛋白的使用，发现GL3/EGL3基因产物优选在N细胞中积累，这意味着这些蛋白从H细胞移动到N细胞(图1)。促进毛发生长的CPC/TRY/ETC1 (N至H细胞)与非促进毛发生长的GL3/EGL3 (H至N细胞)的相反运动被提出来代表细胞间相互增强环路，该环路的存在为图案形成系统提供了稳健性(图1)，这一观点得到了理论建模研究的支持^[28,29]。

3.5分子陷阱

观察到的CPC(可能还有TRY和ETC1)在H细胞中的优先累积被认为是稳健模式形成所必需的，尽管导致这些流动因子在H细胞中累积的机制长期以来一直是个谜。最近的一项发现提供了一种可能的解释，即这种蓄积是EGL3依赖性的^[23]。 在CPC或SHORTROOT (SHR)启动子控制下表达的CPC-GFP融合蛋白在gl3 egl3突变体中缺乏优先的H细胞积累，并且在GL3/EGL3过表达系中表现出减少的移动^[23]。一种可能性是，EGL3通过相对强的结合作用将CPC“捕获”在H细胞内^[23]。这至少在表面上类似于在滴虫鉴定系统中由GL3提议的TTG1核捕获^[30]。

3.6位置信号反馈

毛细胞和非毛细胞的位置依赖性模式依赖于通过creed (SCM)受体样激酶的信号传导^[31]。 SCM作用导致WER转录减少，由于这似乎优先发生在H细胞位置，它解释了SCM信号如何帮助生成细胞类型模式。有趣的是，H细胞中SCM的优先作用可能是由于SCM的不同积累所致。这种SCM差异积累是通过WER-bLHLH- TTG复合体和SCM基因表达之间的负反馈环实现的，确保了N位SCM信号减少^[33]。有人提出，这种机制有助于“锁定”细胞命运的决定，通过放大两种细胞类型的差异SCM信号能力。

3.7激素调节

根毛发育受几种植物激素的影响，最常见的是生长素和乙烯^[33,34]。一般来说，激素似乎会促进根毛的形成，因为添加外源激素通常会导致毛发长度或数量增加，而抑制激素的产生/作用往往会减少毛发长度或数量。事实上，转录组分析显示，大多数下游根毛基因(而非非根毛基因)对生长素(IAA)或乙烯(ACC)的添加有反应^[6]。因此，激素途径元件的积累和活性为在相对较晚的阶段调节根毛模式提供了机会，可能考虑到根毛形成的环境影响。

3.8组蛋白修饰调节

模式基因的表达和根细胞类型的排列受组蛋白乙酰化的影响。用曲古菌素A(组蛋白去乙酰化酶抑制剂)治疗根或组蛋白去乙酰化酶基因HDA18的突变导致N-位细胞变成根毛细胞^[35]。由于HDA18蛋白不直接与模式化基因启动子结合^[36]，因此可能存在一组中间组蛋白调节基因，负责这一水平的控制。

4关于网络复杂性的思考

在这篇小综述中，我们强调了用于控制表皮细胞规格中关键转录因子相对丰度的多种调节机制。考虑到这些众多的组件和相互作用(图1)，我们有理由怀疑为什么这个系统发展得如此复杂，以至于能够控制一个看似简单的细胞命运规范案例。一种可能的解释是，复杂的监管互动反映了对稳健性的要求；以确保一旦作出细胞命运决定，该决定被完全采纳并且不允许在任何步骤被改变^[29,37]。多种调节机制存在的另一种可能性可能是，它们在过程的许多点上为细胞命运决定的修改/调整提供了机会，也许使其能够对影响根毛发育的许多已知的内外因素作出反应^[38,39]。在拟南芥和其他物种中控制根表皮细胞命运的未来研究可能会对这一复杂调控网络中许多成分和相互作用的重要性产生更多的见解。

5参考文献

[1] Schiefelbein, J., Kwak, S. H., Wieckowski, Y., Barron, C., and Bruex, A. (2009). The gene regulatory network for root epidermal cell-type pattern formation in Arabidopsis. J. Exp. Bot. 60: 1515–1521.

[2] Tominaga-Wada, R., Ishida, T., and Wada, T. (2011). New insights into the mechanism of development of Arabidopsis root hairs and trichomes. Int. Rev. Cell Mol. Biol. 286: 67–106.

[3] Grebe, M. (2012). The patterning of epidermal hairs in Arabidopsis–updated. Curr. Opin. Plant Biol. 15: 31–37.

[4] Cormack, R. G. H. (1962). Development of root hairs in angiosperms. II. Bot. Rev. 28: 446–464.

[5] Berger, F., Haseloff, J., Schiefelbein, J., and Dolan, L. (1998). Positional information in root epidermis is defined during embryogenesis and acts in domains with strict boundaries. Curr. Biol. 8: 421–430.

[6] Bruex, A., Kainkaryam, R. M., Wieckowski,

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