Nature子刊重量级文章：调控基因表达新机制

宾夕法尼亚生物学家领导的一项新研究发表在本周的《Nature Genetics》，文中介绍植物DNA中有一些小序列，可作为基因活性关闭的路标。操纵这些短DNA片段可以促进植物生长，增强子实体或种子的生产。这一发现或可延伸至动物基因调节。

　　

植物拥有一个相对固定的百万碱基级别基因组。从萌芽到营养生长、从开花到休眠，植物经历着不同的生命阶段。在特定变化时期，某些基因必须打开，其他基因则会关闭。

文章通讯作者、宾大文理学院生物系教授Doris Wagner说：“植物为了适应周边环境，其基因组中不被需要的信息或错误信息需要及时并准确的关闭，并它所掌握的信息有效地传递给后代。有了这些短序列，我们可以在不添加任何外源遗传物质或改变任何表观遗传特征的前提下，操纵植物基因表达。”

多梳抑制

本文主要聚焦一种被称为多梳抑制（polycomb repression）的基因调节形式。人们在果蝇体内首先发现了多梳蛋白复合物，接着证明其能紧致压缩DNA，扮演导致基因沉默的表观遗传修饰。后来，其他植物和动物体内都发现了多梳蛋白复合物。在所有物种中，它们对细胞身份决策起重要作用，例如，让植物细胞记住它是花细胞还是叶细胞。

一些研究曾在果蝇多梳蛋白打靶过程中检测到了一种名为多梳蛋白反应元件（polycomb response elements，PREs）的DNA短字符。但这些PREs是否具有广泛的基因沉默作用？

Wagner的团队检查了PRC2多梳蛋白复合体。使用来自她自己实验室和其他实验室的大型数据集，他们在拟南芥中找到了170个有可能是PREs的DNA短片段。

在测试了其中5个候选者后，研究人员证实这些PREs的作用和在果蝇中检测到的一样——招募多梳蛋白复合体到植物基因组的指定部位。

随后，研究人员鉴定了55个转录因子（特异性结合DNA序列的蛋白质，指导DNA转化为RNA）与PREs存在强烈的结合作用，最终证实其中30个与PRC2也存在物理相互作用。Nature Methods：蛋白质相互作用高通量筛选新系统

“发现基因组中特定区域，把多梳蛋白带到这些区域，它们就是基因沉默的指引者，”Wagner说。

顺式作用因子

为了解DNA序列中的哪些元件可以让多梳蛋白复合物准确打靶，研究人员测定了170个PREs候选者的顺式作用元件（cis motifs），它们是转录因子在扫描基因组时识别目标基因的一种短DNA序列结构。

研究人员发现有2个顺式元件与之前找到的55个转录因子中的2个匹配。把这两个顺式元件放入植物细胞基因组中，发现足够胜任多梳蛋白的招募工作。

“我们把顺式作用元件和反式作用因子汇聚起来，来展示多梳蛋白如何锁定特定PREs，广泛地调节基因表达，”Wagner说。“这是果蝇之外，首个被发现也存在多梳蛋白DNA路标的物种。未来，我们准备用这些元件操纵植物的表观遗传性状，如产量和耐干旱等特性，而不是直接编码基因序列。”

基因表达操纵的“圣杯”

“寻找哺乳动物细胞介导多梳抑制系统的特定DNA序列是科学界的一尊‘圣杯’，”来自课题组外、宾州再生医学研究所主任Kenneth Zaret评价。“Wagner用严谨的方法揭示了一种基因活动的抑制机制，在植物世界这无疑是个开天惊雷。”

植物中已经找到了，动物中的还会远吗？

原文标题：Cis and trans determinants of epigenetic silencing by Polycomb repressive complex 2 in Arabidopsis

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