Cell重要成果：绘制顺反组景观图

　　

生物通报道  Salk研究所的科学家们开发出了一项新技术用于快速绘制调控蛋白靶向DNA区域的图谱，这一技术可以让科学家们认识是什么使得某些植物具备耐旱或抗病等性状。

揭示DNA上称作为“顺反组”（cistrome）的蛋白质结合区域的景观图，阐明了植物控制基因何时何地表达的机制。以往绘制植物细胞中顺反组的一些方法非常困难且缓慢。详细描绘在5月19日《细胞》（Cell）杂志上的这种新方法克服了这些障碍，全面地认识了遗传调控这一至关重要的方面。

论文的资深作者、Salk研究所基因组分析实验室主任Joseph Ecker说：“这是第一次全面地确定了一个植物基因组中所有调控元件的特征。顺反组一直是人们试图了解植物机能缺失的一块信息。”

植物和动物细胞中的许多信息都包含在指导生成蛋白质的“编码”DNA片段中。但研究人员日益认识到，基因组中其他区域具有的一些元件控制了细胞何时及如何生成这些蛋白。这些“非编码”DNA片段就是转录因子结合来控制邻近编码基因激活的位点。

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论文的共同第一作者、Salk研究所助理研究员Shao-shan Carol Huang说：“许多人类和动物模型研究表明，非编码改变对于认识遗传病症和癌症一类的疾病非常重要。能够阐明这些非编码区域在植物中的功能同样重要。”

在过去，科学家们可以一次确定一个或两个转录因子在何处附着到植物基因组上，但这些实验非常缓慢。Ecker和同事们想完全绘制出数百或甚至数千已知转录因子的结合位置图谱，因此他们需要一种更快速的方法来绘制这些位点。

为了获得这一顺反组图谱，研究人员构建出了一个系统，在这一系统中他们可以将一个标记的转录因子添加到DNA文库中，让它结合DNA，随后再分离出所有配对DNA-蛋白。这种叫做DNA亲和纯化测序(DAP-seq)的方法，大大扩展了科学家们收集到的关于转录因子及它们结合位点的信息。

论文的共同第一作者、Ecker实验室研究员Ronan O'Malley说：“我们的系统廉价且可扩展。它使得我们能够捕获全部的转录结合位点，因此我们获得了完整的密码本。并且，它不要求大多数植物实验室无法利用的复杂或专门的实验室设备。”

为了检验DAP-seq的功用，Ecker、Huang、O'Malley和同事们绘制出了529种转录因子结合拟南芥基因组的位点。他们鉴别出了270万个结合位点。随后他们采用包含或不包含胞嘧啶甲基化的DNA重复了这些实验，胞嘧啶甲基化指的是用化学甲基标签来标记基因组表面进一步抑制或激活基因的一个过程。他们测试的大约四分之三的转录因子结合模式发生了改变。

O'Malley说：“这使得我们能够揭示出如果不除去甲基化我们或许会漏掉的结合位点。采用这种方法我们可以看到只在一部分细胞或组织中活化的结合位点。新研究不仅阐明了调控蛋白改变基因表达的机制，还揭示了表观遗传甲基化标记在这种调控中所起的作用。”
在发表于2016年5月《Nature Plants》杂志上的第二篇研究论文中，Ecker与杜克大学和西澳大利亚大学的合作小组揭示出，拟南芥根部不同类型的细胞具有不同的甲基化模式。利用DAP-seq，他们现在研究了根细胞中这些模式影响转录因子结合的机制。此外，他们还想研究不同转录因子彼此互作的机制，并尝试将这种方法用于其他的植物物种和人类细胞。

Ecker 说：“这种方法的优点在于可用于所有的植物，其中许多植物都没有在拟南芥中可使用的工具。这为我们提供了一扇窗口，了解调控序列中的遗传或表观遗传变异影响它们性状的机制。”

Ecker是国际植物分子生物学和植物基因组学研究领域的著名学者。2008年，借助高通量测序技术Ecker带领Salk生物研究所的研究人员描绘出了模式植物拟南芥基因组中的个体DNA修饰，并且弄清了对拟南芥26000个基因中每个基因活性的影响。研究的结果发表在Cell杂志上（Cell：表观基因组学重大进展 ）。

2009年，Ecker领导Salk研究所基因组分析实验室，Ludwig研究所癌症研究中心，加州大学圣地亚哥分校等处的研究人员绘制了首张人类表观遗传学基因组图谱，相关成果文章H发布在Nature上（顶级实验室《Nature》发布人表观遗传图谱）。

2015年，Ecker研究小组构建出了来自个体捐赠者（包括女人、男人和孩子）十多种不同人类器官最全面的表观基因组图谱。研究数据发表在Nature杂志上（Nature重大成果：最全面的人类器官表观基因组图谱）。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Cistrome and Epicistrome Features Shape the Regulatory DNA Landscape.Cell.DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.04.038

Unique cell-type-specific patterns of DNA methylation in the root meristem.Nature Plants 2, Article number: 16058 (2016)doi:10.1038/nplants.2016.58