生物学家展示了植物如何关闭他们不需要的基因

植物具有一个基因组，数百万个碱基对的核苷酸的特定序列。然而，这种基因组的表达方式因细胞而异，并且随着植物经历各种生命阶段，从发芽到营养生长，再到开花到休眠，它都会发生变化。必须打开一些基因，关闭其他基因以确保每个植物细胞在需要时做它需要做的事情。

由宾夕法尼亚大学生物学家领导并于本周发表在Nature Genetics期刊上的新研究发现，植物DNA中的小序列可作为关闭基因活动的标志，指导沉淀基因表达的蛋白质的位置。操纵这些短DNA片段提供了植物生长的潜力，其具有增强的某些性状的活化，例如结果或种子生产。该发现还可能对理解植物和动物中的基因调控具有意义。“身份的一部分就是你不是，”该研究的资深作者，艺术与科学学院宾夕法尼亚大学生物系教授Doris Wagner说。“特别是对于植物而言，因为它们变化很大并且易受环境条件影响，所以基因组中不需要的部分或可能提供错误信息的部分需要在每种情况下可靠地关闭。这些信息然后通过对女儿细胞。“利用这些短序列，”瓦格纳说，“我们可以尝试使用基因编辑技术操纵它们，以改变基因表达，而不向植物添加任何外源遗传物质，并在表观遗传上改变性状的表达。”

该研究的重点是称为Polycomb抑制的基因调控形式。Polycomb蛋白复合物首先在果蝇中发现，显示紧密紧密的DNA并代表导致基因沉默的表观遗传修饰。后来在植物和哺乳动物中发现了多梳复合物。在所有物种中，它们在确定细胞特性方面发挥重要作用，帮助植物细胞记住，例如，它们是叶细胞或花细胞。

尽管一些研究表明在苍蝇的Polycomb靶向过程中称为Polycomb响应元件或PREs的短片段，仍然存在关于这些PRE在哺乳动物或植物中的基因沉默中是否起广泛作用的问题。

瓦格纳的团队检查了名为PRC2的Polycomb复合体。利用她的实验室和其他人收集的大规模数据集，研究人员在植物物种拟南芥(Arabidopsis thaliana)中鉴定了可能是PREs的170个DNA片段。测试了这些候选PRE中的五个，他们证实它们的作用与果蝇中的PRE一样，将Polycomb复合物招募到植物基因组的特定部分。

研究人员随后确定了55种转录因子，即结合特定DNA序列的蛋白质，并帮助调节DNA如何转化为RNA，与PREs强烈结合，并证实其中30种与PRC2物理相互作用。“这正是招聘人员应该做的事情，”瓦格纳说，“在基因组中找到合适的区域并引入Polycomb。”

想要了解更多关于DNA序列中哪些元素标记为Polycomb复合物靶向的信息，研究人员回到170个PRE候选物，计算识别称为顺式基序的短DNA序列，这是转录因子在扫描基因组时识别的为他们的目标基因。

通过进一步的分析，Wagner及其同事发现两个顺式基序与之前确定的两个转录因子相匹配。将这些顺式基序置于植物细胞基因组中显示它们足以募集Polycomb，使它们基本上成为合成的PRE。“我们将顺式(DNA序列内)和反式(作用于DNA序列)因子汇集在一起​​，以显示Polycomb如何靶向特定的PRE并广泛调节植物基因的表达，”Wagner说。“这是第一次证明这种机制 - 通过DNA中的这些路标招募Polycomb在果蝇外的物种中的作用。将来我可以利用这些基序来表观遗传地提高产量或耐旱性等所需特性而不会发生显着变化编码序列。“

在后续工作中，瓦格纳希望探索除拟南芥之外的植物物种中的PREs和这些基序和转录因子。她还想调查一下，如果植物暴露在水或盐胁迫下，系统的变化速度有多快。

宾夕法尼亚大学再生医学研究所所长Kenneth Zaret指出，研究结果也可能指导研究人员在植物领域之外的工作，他没有参与当前的研究，但他研究动物的基因调控。“寻找介导Polycomb抑制系统作用的特定DNA序列一直是哺乳动物细胞生物学家的圣杯，”Zaret说。“瓦格纳研究的严谨方法精美地揭示了一种抑制基因活动的机制，这种机制无疑将超越植物世界。”