植物具有一個基因組，數(shù)百萬個堿基對的核苷酸的特定序列。然而，這種基因組的表達(dá)方式因細(xì)胞而異，并且隨著植物經(jīng)歷各種生命階段，從發(fā)芽到營養(yǎng)生長，再到開花到休眠，它都會發(fā)生變化。必須打開一些基因，關(guān)閉其他基因以確保每個植物細(xì)胞在需要時做它需要做的事情。

由賓夕法尼亞大學(xué)生物學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)并于本周發(fā)表在Nature Genetics期刊上的新研究發(fā)現(xiàn)，植物DNA中的小序列可作為關(guān)閉基因活動的標(biāo)志，指導(dǎo)沉淀基因表達(dá)的蛋白質(zhì)的位置。操縱這些短DNA片段提供了植物生長的潛力，其具有增強的某些性狀的活化，例如結(jié)果或種子生產(chǎn)。該發(fā)現(xiàn)還可能對理解植物和動物中的基因調(diào)控具有意義。“身份的一部分就是你不是，”該研究的資深作者，藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院賓夕法尼亞大學(xué)生物系教授Doris Wagner說。“特別是對于植物而言，因為它們變化很大并且易受環(huán)境條件影響，所以基因組中不需要的部分或可能提供錯誤信息的部分需要在每種情況下可靠地關(guān)閉。這些信息然后通過對女兒細(xì)胞。“利用這些短序列，”瓦格納說，“我們可以嘗試使用基因編輯技術(shù)操縱它們，以改變基因表達(dá)，而不向植物添加任何外源遺傳物質(zhì)，并在表觀遺傳上改變性狀的表達(dá)。”

該研究的重點是稱為Polycomb抑制的基因調(diào)控形式。Polycomb蛋白復(fù)合物首先在果蠅中發(fā)現(xiàn)，顯示緊密緊密的DNA并代表導(dǎo)致基因沉默的表觀遺傳修飾。后來在植物和哺乳動物中發(fā)現(xiàn)了多梳復(fù)合物。在所有物種中，它們在確定細(xì)胞特性方面發(fā)揮重要作用，幫助植物細(xì)胞記住，例如，它們是葉細(xì)胞或花細(xì)胞。

盡管一些研究表明在蒼蠅的Polycomb靶向過程中稱為Polycomb響應(yīng)元件或PREs的短片段，仍然存在關(guān)于這些PRE在哺乳動物或植物中的基因沉默中是否起廣泛作用的問題。

瓦格納的團(tuán)隊檢查了名為PRC2的Polycomb復(fù)合體。利用她的實驗室和其他人收集的大規(guī)模數(shù)據(jù)集，研究人員在植物物種擬南芥(Arabidopsis thaliana)中鑒定了可能是PREs的170個DNA片段。測試了這些候選PRE中的五個，他們證實它們的作用與果蠅中的PRE一樣，將Polycomb復(fù)合物招募到植物基因組的特定部分。

研究人員隨后確定了55種轉(zhuǎn)錄因子，即結(jié)合特定DNA序列的蛋白質(zhì)，并幫助調(diào)節(jié)DNA如何轉(zhuǎn)化為RNA，與PREs強烈結(jié)合，并證實其中30種與PRC2物理相互作用。“這正是招聘人員應(yīng)該做的事情，”瓦格納說，“在基因組中找到合適的區(qū)域并引入Polycomb。”

想要了解更多關(guān)于DNA序列中哪些元素標(biāo)記為Polycomb復(fù)合物靶向的信息，研究人員回到170個PRE候選物，計算識別稱為順式基序的短DNA序列，這是轉(zhuǎn)錄因子在掃描基因組時識別的為他們的目標(biāo)基因。

通過進(jìn)一步的分析，Wagner及其同事發(fā)現(xiàn)兩個順式基序與之前確定的兩個轉(zhuǎn)錄因子相匹配。將這些順式基序置于植物細(xì)胞基因組中顯示它們足以募集Polycomb，使它們基本上成為合成的PRE。“我們將順式(DNA序列內(nèi))和反式(作用于DNA序列)因子匯集在一起??，以顯示Polycomb如何靶向特定的PRE并廣泛調(diào)節(jié)植物基因的表達(dá)，”Wagner說。“這是第一次證明這種機(jī)制 - 通過DNA中的這些路標(biāo)招募Polycomb在果蠅外的物種中的作用。將來我可以利用這些基序來表觀遺傳地提高產(chǎn)量或耐旱性等所需特性而不會發(fā)生顯著變化編碼序列。“

在后續(xù)工作中，瓦格納希望探索除擬南芥之外的植物物種中的PREs和這些基序和轉(zhuǎn)錄因子。她還想調(diào)查一下，如果植物暴露在水或鹽脅迫下，系統(tǒng)的變化速度有多快。

賓夕法尼亞大學(xué)再生醫(yī)學(xué)研究所所長Kenneth Zaret指出，研究結(jié)果也可能指導(dǎo)研究人員在植物領(lǐng)域之外的工作，他沒有參與當(dāng)前的研究，但他研究動物的基因調(diào)控。“尋找介導(dǎo)Polycomb抑制系統(tǒng)作用的特定DNA序列一直是哺乳動物細(xì)胞生物學(xué)家的圣杯，”Zaret說。“瓦格納研究的嚴(yán)謹(jǐn)方法精美地揭示了一種抑制基因活動的機(jī)制，這種機(jī)制無疑將超越植物世界。”