Salk研究所科學(xué)家開發(fā)的一種新技術(shù)可以快速繪制由調(diào)節(jié)蛋白靶向的DNA區(qū)域，這可以讓科學(xué)家深入了解是什么使某些植物具有耐旱性或抗病性等特性。揭示DNA上蛋白質(zhì)結(jié)合區(qū)的這一景觀，統(tǒng)稱為“cistrome”，顯示植物如何控制基因表達的位置和時間。用于在植物細胞中繪制cistrome的先前方法是困難和緩慢的，但是在2016年5月19日出版的Cell中詳述的新方法克服了這些障礙，以提供對遺傳調(diào)控的這一關(guān)鍵方面的全面觀察。

“這是全球特征化植物基因組中所有調(diào)控元素的首批努力之一，”資深作者，Salk基因組分析實驗室教授兼主任，以及Salk國際理事會遺傳學(xué)主席Joseph Ecker說。“為了了解植物如何發(fā)揮作用，cistrome一直是一條缺失的信息。”

植物和動物細胞中的大量信息包含在“編碼”DNA片段中，其中包含制作蛋白質(zhì)的指令，蛋白質(zhì)是細胞的物理工具。但研究人員越來越意識到基因組的其他部分具有控制細胞何時以及如何制造這些蛋白質(zhì)的元素。在這些DNA的“非編碼”位中是稱為轉(zhuǎn)錄因子的蛋白質(zhì)結(jié)合以控制相鄰編碼基因的激活的斑點。

“人類和動物模型的許多研究表明，非編碼變化對于了解遺傳性疾病和癌癥等疾病非常重要，”Salk研究助理兼該論文的共同第一作者Shao-shan Carol Huang說。“能夠弄清楚這些非編碼區(qū)域在植物中的作用同樣重要。”

在過去，科學(xué)家們可以確定一次只有一個或兩個轉(zhuǎn)錄因子附著在植物基因組上，但實驗進展緩慢。Ecker和他的同事想要完全映射數(shù)百甚至數(shù)千種已知轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位置，因此他們需要更快的方式來映射這些網(wǎng)站。為了實現(xiàn)這種cistrome映射，研究人員創(chuàng)建了一個系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中，他們可以將標記的轉(zhuǎn)錄因子添加到DNA文庫中，讓它結(jié)合，然后分離所有的DNA-蛋白質(zhì)對。這種稱為DNA親和純化測序(DAP-seq)的方法極大地擴展了科學(xué)家可以收集的有關(guān)轉(zhuǎn)錄因子及其結(jié)合位點的更多信息。

“我們的系統(tǒng)價格低廉，可擴展，”Ecker實驗室的科學(xué)家Ronan O'Malley說道，他是該論文的共同第一作者。“它允許我們捕獲完整的轉(zhuǎn)錄結(jié)合位點集合，因此我們擁有完整的碼本。” 此外，他說，它不需要大多數(shù)工廠實驗室無法獲得的復(fù)雜或?qū)I(yè)的實驗室設(shè)備。

為了測試DAP-seq的效用，Ecker，Huang，O'Malley及其同事繪制了529個轉(zhuǎn)錄因子與擬南芥(Arabidopsis thaliana)基因組結(jié)合的位置，這是科學(xué)家研究最多的植物。他們確定了270萬個綁定站點。然后，他們使用含有或不含有胞嘧啶甲基化的DNA重復(fù)實驗 - 這是用化學(xué)甲基標記標記基因組表面以進一步抑制或激活基因的過程。他們測試的約四分之三轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合模式發(fā)生了變化。

“這使我們能夠暴露出我們可能會錯過的結(jié)合位點，如果我們不去除甲基化。通過這種方法，我們可以看到可能僅在一部分細胞或組織中有活性的結(jié)合位點，”O'Malley說。新的結(jié)果不僅顯示了調(diào)節(jié)蛋白如何改變基因表達，而且顯示了表觀基因組甲基化標記在該調(diào)節(jié)中可能發(fā)揮的作用。

在2016年5月發(fā)表在Nature Plants上的另一篇論文中，杜克大學(xué)和西澳大利亞大學(xué)的Ecker和合作小組發(fā)現(xiàn)，擬南芥根中不同類型的細胞具有不同的甲基化模式。使用DAP-seq，他們現(xiàn)在能夠研究根細胞中的這些模式如何影響轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合。此外，他們還想研究不同轉(zhuǎn)錄因子如何相互作用，并嘗試將該方法應(yīng)用于其他植物物種和人體細胞。

“它的美妙之處在于它可以在任何植物中完成，其中許多植物沒有擬南芥中可用的工具，”Ecker說，他也是霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所和戈登和貝蒂摩爾基金會研究員。“這可以讓我們了解調(diào)控序列的遺傳或表觀遺傳變異如何影響其特征。”