索爾克研究所(Salk Institute)的科學(xué)家們開發(fā)了一種新技術(shù)，可以快速繪制調(diào)控蛋白靶向的DNA區(qū)域，這可能會(huì)讓科學(xué)家們了解是什么讓一些植物具有耐旱或抗病等特性。

揭示DNA上蛋白質(zhì)結(jié)合區(qū)域的景觀，統(tǒng)稱為“順轉(zhuǎn)錄組”，展示了植物如何控制基因在何時(shí)何地表達(dá)。之前繪制植物細(xì)胞中順莖突的方法既困難又緩慢，但在2016年5月19日的《細(xì)胞》(Cell)雜志上詳細(xì)介紹的新方法克服了這些障礙，為基因調(diào)控的這一關(guān)鍵方面提供了一個(gè)全面的視角。

索爾克基因組分析實(shí)驗(yàn)室的教授兼主任、索爾克國(guó)際遺傳學(xué)理事會(huì)主席、資深作者約瑟夫•?？吮硎?“這是首次在全球范圍內(nèi)確定植物基因組中所有調(diào)控元素特征的努力之一。”“在試圖了解植物的功能方面，順莖植物一直是一個(gè)缺失的信息。”

植物和動(dòng)物細(xì)胞中的許多信息都包含在DNA的“編碼”片段中，這些DNA片段具有生成蛋白質(zhì)的指令，而蛋白質(zhì)是細(xì)胞的物質(zhì)基礎(chǔ)。但研究人員越來(lái)越多地認(rèn)識(shí)到，基因組的其他部分擁有控制細(xì)胞何時(shí)以及如何制造這些蛋白質(zhì)的元素。在這些“非編碼”的DNA片段中，有一些被稱為轉(zhuǎn)錄因子的蛋白質(zhì)結(jié)合在一起，管理鄰近編碼基因的激活。

“在人類和動(dòng)物模型中進(jìn)行的許多研究表明，非編碼變化對(duì)于理解遺傳性疾病和癌癥等疾病確實(shí)非常重要，”索爾克研究所的助理研究員、論文的第一作者之一黃紹珊(Shao-shan Carol Huang)說。“弄清這些非編碼區(qū)域在植物體內(nèi)的作用也同樣重要。”

在過去，科學(xué)家可以確定一次只有一到兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子附著在植物基因組上的位置，但實(shí)驗(yàn)進(jìn)展緩慢。Ecker和他的同事想要完全繪制出已知的幾百甚至上千個(gè)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的位置，因此他們需要一種更快的方法來(lái)繪制這些位點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)這種順轉(zhuǎn)錄組映射，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)系統(tǒng)，他們可以在DNA文庫(kù)中添加一個(gè)標(biāo)記轉(zhuǎn)錄因子，讓它結(jié)合，然后分離所有DNA-蛋白質(zhì)對(duì)。這種方法被稱為DNA親和純化測(cè)序(DNA affinity sequencing, da -seq)，它極大地?cái)U(kuò)展了科學(xué)家能夠收集到的關(guān)于轉(zhuǎn)錄因子及其結(jié)合位點(diǎn)的更多信息。

他收集了完整的轉(zhuǎn)錄結(jié)合位點(diǎn)，所以我們有一個(gè)完整的碼本。此外，他還說，它不需要復(fù)雜或?qū)I(yè)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，而大多數(shù)工廠實(shí)驗(yàn)室都沒有這些設(shè)備。

為了測(cè)試da -seq的效用，Ecker、Huang、O 'Malley和他們的同事繪制了與科學(xué)家研究最多的擬南芥基因組結(jié)合的529個(gè)轉(zhuǎn)錄因子的位置圖。他們確定了270萬(wàn)個(gè)結(jié)合位點(diǎn)。然后，他們用含有或不含胞嘧啶甲基化的DNA重復(fù)實(shí)驗(yàn)。胞嘧啶甲基化是一種用化學(xué)甲基標(biāo)記基因組表面以進(jìn)一步抑制或激活基因的過程。他們測(cè)試的大約四分之三轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合模式發(fā)生了變化。

“這讓我們能夠暴露出如果我們不去除甲基化可能會(huì)錯(cuò)過的結(jié)合位點(diǎn)。”通過這種方法，我們可以看到結(jié)合位點(diǎn)可能只活躍于細(xì)胞或組織的一個(gè)子集，”O 'Malley說。新的結(jié)果不僅顯示了調(diào)控蛋白如何改變基因表達(dá)，而且顯示了表觀基因組甲基化標(biāo)記可能在這一調(diào)控中發(fā)揮的作用。

在另一篇發(fā)表于2016年5月《自然植物》(Nature Plants)的論文中，杜克大學(xué)(Duke University)和西澳大利亞大學(xué)(University of Western Australia)的Ecker和合作小組發(fā)現(xiàn)，擬南芥根部不同類型的細(xì)胞具有不同的甲基化模式。使用da -seq，他們現(xiàn)在能夠研究這些模式在根細(xì)胞中如何影響轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合。此外，他們還想研究不同的轉(zhuǎn)錄因子是如何相互作用的，并嘗試將這種方法應(yīng)用于其他植物物種和人類細(xì)胞。

“這種方法的美妙之處在于，它可以在任何植物中進(jìn)行，其中許多植物沒有擬南芥中可用的工具，”Ecker說。“這給我們提供了一扇窗，讓我們了解調(diào)控序列的遺傳或表觀遺傳變異如何影響它們的性狀。”