南湖新闻网讯（通讯员 陈春丽）近日，我校生命科学技术学院陈春丽教授课题组发现DNA拓扑异构酶1（TOP1）在苔藓植物雄性生殖干细胞及精子发育过程中起着重要作用，揭示了TOP1酶在植物生长发育中的新功能。相关研究成果在New Phytologist在线发表。
植物干细胞与动物干细胞类似，一方面自我维持更新，另一方面分化形成新的组织器官。生殖干细胞是产生生殖器官和功能孢子的细胞基础。DNA拓扑异构酶1（DNA Topoisomerase 1，TOP1）在生物体内广泛存在，主要通过催化DNA链的断裂和结合来维持DNA的拓扑状态，从而保证DNA复制、转录和重组等过程顺利进行。同时具有分裂和分化能力的干细胞内有着活跃的DNA复制、转录等活动，需要大量TOP1酶参与释放DNA扭应力。也就是说，TOP1酶对干细胞的形成、干细胞的活性与功能，起着至关重要的作用。在动物干细胞中研究TOP1的作用较难，因为通常它们只携带一个TOP1基因。而TOP1基因的破坏会导致严重的发育问题甚至致死。
陈春丽课题组采用含两个TOP1基因（TOP1α和TOP1β）的进化发育模式植物小立碗藓（Physcomitrium patens）实验系统，开展了TOP1的功能研究，发现同时缺失两个TOP1基因，和其他生物一样，导致致死；缺失TOP1α基因，雄性生殖干细胞分裂、分化和精子成熟缺陷（图1），表现出精原细胞（spermatogenous cells）分裂减少或延迟、精原细胞分化成精细胞不同步精子成熟过程中染色质浓缩也不同步，最后仅产生较少有活性的精子。缺失TOP1β基因，不影响植物体正常发育。
华中农业大学生命科学技术学院陈春丽教授为论文通讯作者。我校已毕业博士研究生顾南（现日本宇都宫大学博士后）为文章第一作者。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。本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。
【英文摘要】DNA topoisomerase 1 (TOP1) plays general roles in DNA replication and transcription by regulating DNA topology in land plants and metazoans. TOP1 is also involved in specific developmental events; however, whether TOP1 plays a conserved developmental role among multicellular organisms is unknown. Here, we investigated the developmental roles of TOP1 in the moss Physcomitrium (Physcomitrella) patens with gene targeting, microscopy, 3D image segmentation, and crossing experiments. We discovered that the disruption of TOP1α, but not its paralogue TOP1β, leads to a defect in fertilisation and subsequent sporophyte formation in P. patens. In the top1α mutant, the egg cell was functional for fertilisation, while sperm cells were fewer and infertile with disordered structures. We observed that the nuclei volume of wild-type sperm cells synchronously decreases during antheridium development, indicating chromatin condensation toward the compact sperm head. By contrast, the top1α mutant exhibited attenuated cell divisions and asynchronous and defective contraction of the nuclei of sperm cells throughout spermatogenesis. These results indicate that TOP1α is involved in cell division and chromatin condensation during spermatogenesis in P. patens. Our results suggest that the regulation of DNA topology by TOP1 plays a key role in spermatogenesis in both land plants and metazoans.
原文链接: https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.17983
审核人：陈春丽
