研究人员绘制了植物遗传和表观遗传调控的图景

Salk研究所科学家开发的一种新技术可以快速绘制由调节蛋白靶向的DNA区域，这可以让科学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上蛋白质结合区的这一景观，统称为“cistrome”，显示植物如何控制基因表达的位置和时间。用于在植物细胞中绘制cistrome的先前方法是困难和缓慢的，但是在2016年5月19日出版的Cell中详述的新方法克服了这些障碍，以提供对遗传调控的这一关键方面的全面观察。

“这是全球特征化植物基因组中所有调控元素的首批努力之一，”资深作者，Salk基因组分析实验室教授兼主任，以及Salk国际理事会遗传学主席Joseph Ecker说。“为了了解植物如何发挥作用，cistrome一直是一条缺失的信息。”

植物和动物细胞中的大量信息包含在“编码”DNA片段中，其中包含制作蛋白质的指令，蛋白质是细胞的物理工具。但研究人员越来越意识到基因组的其他部分具有控制细胞何时以及如何制造这些蛋白质的元素。在这些DNA的“非编码”位中是称为转录因子的蛋白质结合以控制相邻编码基因的激活的斑点。

“人类和动物模型的许多研究表明，非编码变化对于了解遗传性疾病和癌症等疾病非常重要，”Salk研究助理兼该论文的共同第一作者Shao-shan Carol Huang说。“能够弄清楚这些非编码区域在植物中的作用同样重要。”

在过去，科学家们可以确定一次只有一个或两个转录因子附着在植物基因组上，但实验进展缓慢。Ecker和他的同事想要完全映射数百甚至数千种已知转录因子的结合位置，因此他们需要更快的方式来映射这些网站。为了实现这种cistrome映射，研究人员创建了一个系统，在这个系统中，他们可以将标记的转录因子添加到DNA文库中，让它结合，然后分离所有的DNA-蛋白质对。这种称为DNA亲和纯化测序(DAP-seq)的方法极大地扩展了科学家可以收集的有关转录因子及其结合位点的更多信息。

“我们的系统价格低廉，可扩展，”Ecker实验室的科学家Ronan O'Malley说道，他是该论文的共同第一作者。“它允许我们捕获完整的转录结合位点集合，因此我们拥有完整的码本。” 此外，他说，它不需要大多数工厂实验室无法获得的复杂或专业的实验室设备。

为了测试DAP-seq的效用，Ecker，Huang，O'Malley及其同事绘制了529个转录因子与拟南芥(Arabidopsis thaliana)基因组结合的位置，这是科学家研究最多的植物。他们确定了270万个绑定站点。然后，他们使用含有或不含有胞嘧啶甲基化的DNA重复实验 - 这是用化学甲基标记标记基因组表面以进一步抑制或激活基因的过程。他们测试的约四分之三转录因子的结合模式发生了变化。

“这使我们能够暴露出我们可能会错过的结合位点，如果我们不去除甲基化。通过这种方法，我们可以看到可能仅在一部分细胞或组织中有活性的结合位点，”O'Malley说。新的结果不仅显示了调节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在该调节中可能发挥的作用。

在2016年5月发表在Nature Plants上的另一篇论文中，杜克大学和西澳大利亚大学的Ecker和合作小组发现，拟南芥根中不同类型的细胞具有不同的甲基化模式。使用DAP-seq，他们现在能够研究根细胞中的这些模式如何影响转录因子的结合。此外，他们还想研究不同转录因子如何相互作用，并尝试将该方法应用于其他植物物种和人体细胞。

“它的美妙之处在于它可以在任何植物中完成，其中许多植物没有拟南芥中可用的工具，”Ecker说，他也是霍华德休斯医学研究所和戈登和贝蒂摩尔基金会研究员。“这可以让我们了解调控序列的遗传或表观遗传变异如何影响其特征。”