扭转整个基因组表观遗传的第一把钥匙

  扭转整个基因组表观遗传的第一把钥匙

  表观遗传学是导致每种细胞在形状和功能上都不同的原因,细胞还利用表观遗传抑制转座子的破坏性“跳跃基因”的活动。什么时候阅读基因指令,对一个正常运转的有机体来说很关键,那么生命是如何做到这一点的呢?

  日本冲绳技术研究大学(OIST)的研究人员借助植物如何抑制转录,解开了谜团的第一条线索。这篇《Nature Communications》文章指出了先前未知的被表观遗传调控沉默的DNA片段,其中许多片段起源于转座子。

  “细胞如何在哪里抑制整条基因组的转录?我们的研究为此提供了一个全面的观点,”OIST植物表观遗传学组博后研究员Tu Le说。“我们发现这种沉默对于确保参与发育和应激反应的基因的正常发挥作用至关重要。”

  细胞可以通过向DNA或包裹DNA的组蛋白中添加化学标签来促进或抑制转录,这些标签告诉RNA转录机器产生正确数量的蛋白质。

  这种精确控制水平对于管理转座子至关重要。

  “可以把转座子比作基因组的寄生虫,它们以牺牲宿主为代价促进自身表达,”该研究的高级作者、植物表观遗传学组组长Hidetoshi Saze教授说。“当转座子激活时,它的基因序列被用来制造一种蛋白质,这种蛋白质可以将转座子移动到基因组中的另一个位置,像是计算机的剪切粘贴或复制粘贴。”

  但转座子通常是沉默的,因为它们的活动可以使重要的基因失效。然而,当受到压力时,植物会重新激活转座子,因为它们是基因变异的来源,有可能产生有益的突变,使植物能够适应不断变化的环境。

  “我们的实验室最终的目标是确定细胞如何识别和调节转座子,”Le博士补充道。

  揭开隐藏的转录位点

  在这项研究中,科学家们使用了拟南芥(Arabidopsis thaliana)的几种突变株,每个植株都有不同的表观遗传途径被禁用。

  研究小组随后使用测序技术来检测作为基因组转录机制起始位点的特定DNA序列。他们发现了数千个这样的“转录起始位点”(TSSs),它们只在表观遗传突变体中活跃。

  “许多这些位点在以前的研究中没有被发现,因为它们在野生型植物中是完全沉默的,”Saze教授说。“这些隐藏的或隐秘的TSSs为未来植物表观遗传学研究提供了宝贵的数据来源。”

  重要的是,科学家们发现了一种植物的突变株,它激活了大量的隐性TSSs。这个突变体缺失了一个维持DNA甲基化的关键蛋白的基因密码。当甲基被添加到DNA中时,这种表观遗传标签会触发一种生化途径,使组蛋白将DNA包得更紧。这在物理上阻止了转录机器进入含有隐秘TSSs的基因组区域。

  Le博士说:“DNA甲基化丢失时激活的隐秘的TSSs的数量表明,这是一种强大而普遍的沉默方法。”

  从转座子到耐受选择压力

  另一个关键发现是转座子和隐秘TSSs之间的联系。科学家们发现,高达65%的隐性TSSs起源于这些“跳跃基因”,这些基因比没有隐性tss的转座子更长、更严重地甲基化。

  Le博士解释说:“这表明带有隐性TSSs的转座子更年轻、完整,并且仍然能够在基因组中跳跃,这就是为什么它们被沉默的原因。”

  科学家们注意到,当表观遗传突变体中的隐性TSSs被激活时,这改变了与压力和发育有关的邻近基因的活性。科学家们还不完全了解这种影响背后的机制,但其含义是耐人寻味的。

  Saze教授说:“以前的研究表明,随着时间的推移,随着转座子的降解,植物可以利用转座子中的TSSs来调节附近基因的活性。激活的隐性TSSs对胁迫和发育基因的影响表明,植物可以利用这些TSSs来适应不断变化的环境。”

  在未来的研究中,科学家们希望进一步了解这些神秘的TSSs,以及它们如何影响附近基因的活性。

  “这项研究有助于我们更好地了解植物对环境变化的反应,如全球变暖、干旱和土壤养分退化,”Saze教授说。“这样就有可能培育出能够抵抗这种压力的新作物。”

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