索尔克的研究人员绘制了植物遗传和表观遗传调控的图谱

索尔克研究所(Salk Institute)的科学家们开发了一种新技术，可以快速绘制调控蛋白靶向的DNA区域，这可能会让科学家们了解是什么让一些植物具有耐旱或抗病等特性。

揭示DNA上蛋白质结合区域的景观，统称为“顺转录组”，展示了植物如何控制基因在何时何地表达。之前绘制植物细胞中顺茎突的方法既困难又缓慢，但在2016年5月19日的《细胞》(Cell)杂志上详细介绍的新方法克服了这些障碍，为基因调控的这一关键方面提供了一个全面的视角。

索尔克基因组分析实验室的教授兼主任、索尔克国际遗传学理事会主席、资深作者约瑟夫•埃克表示:“这是首次在全球范围内确定植物基因组中所有调控元素特征的努力之一。”“在试图了解植物的功能方面，顺茎植物一直是一个缺失的信息。”

植物和动物细胞中的许多信息都包含在DNA的“编码”片段中，这些DNA片段具有生成蛋白质的指令，而蛋白质是细胞的物质基础。但研究人员越来越多地认识到，基因组的其他部分拥有控制细胞何时以及如何制造这些蛋白质的元素。在这些“非编码”的DNA片段中，有一些被称为转录因子的蛋白质结合在一起，管理邻近编码基因的激活。

“在人类和动物模型中进行的许多研究表明，非编码变化对于理解遗传性疾病和癌症等疾病确实非常重要，”索尔克研究所的助理研究员、论文的第一作者之一黄绍珊(Shao-shan Carol Huang)说。“弄清这些非编码区域在植物体内的作用也同样重要。”

在过去，科学家可以确定一次只有一到两个转录因子附着在植物基因组上的位置，但实验进展缓慢。Ecker和他的同事想要完全绘制出已知的几百甚至上千个转录因子结合的位置，因此他们需要一种更快的方法来绘制这些位点。

为了实现这种顺转录组映射，研究人员创建了一个系统，他们可以在DNA文库中添加一个标记转录因子，让它结合，然后分离所有DNA-蛋白质对。这种方法被称为DNA亲和纯化测序(DNA affinity sequencing, da -seq)，它极大地扩展了科学家能够收集到的关于转录因子及其结合位点的更多信息。

他收集了完整的转录结合位点，所以我们有一个完整的码本。此外，他还说，它不需要复杂或专业的实验室设备，而大多数工厂实验室都没有这些设备。

为了测试da -seq的效用，Ecker、Huang、O 'Malley和他们的同事绘制了与科学家研究最多的拟南芥基因组结合的529个转录因子的位置图。他们确定了270万个结合位点。然后，他们用含有或不含胞嘧啶甲基化的DNA重复实验。胞嘧啶甲基化是一种用化学甲基标记基因组表面以进一步抑制或激活基因的过程。他们测试的大约四分之三转录因子的结合模式发生了变化。

“这让我们能够暴露出如果我们不去除甲基化可能会错过的结合位点。”通过这种方法，我们可以看到结合位点可能只活跃于细胞或组织的一个子集，”O 'Malley说。新的结果不仅显示了调控蛋白如何改变基因表达，而且显示了表观基因组甲基化标记可能在这一调控中发挥的作用。

在另一篇发表于2016年5月《自然植物》(Nature Plants)的论文中，杜克大学(Duke University)和西澳大利亚大学(University of Western Australia)的Ecker和合作小组发现，拟南芥根部不同类型的细胞具有不同的甲基化模式。使用da -seq，他们现在能够研究这些模式在根细胞中如何影响转录因子的结合。此外，他们还想研究不同的转录因子是如何相互作用的，并尝试将这种方法应用于其他植物物种和人类细胞。

“这种方法的美妙之处在于，它可以在任何植物中进行，其中许多植物没有拟南芥中可用的工具，”Ecker说。“这给我们提供了一扇窗，让我们了解调控序列的遗传或表观遗传变异如何影响它们的性状。”