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上海生科院揭示等位遗传调控机制

5月14日,国际学术期刊Cell Reports在线发表了中国科学院上海生命科学研究院植物逆境生物学研究中心朱健康研究组题为Involvement of multiple gene silencing pathways in a paramutation-like phenomenon in Arabidopsis 的研究论文。该研究在模式植物拟南芥中,细致地探究了表观遗传修饰如何参与非孟德尔遗传学现象“paramutation”(等位遗传)的发生、维持与等位传递。


遗传学是研究生物的遗传与变异的科学,研究基因的结构、功能及其变异、传递和表达规律的学科。就遗传规律而言,“等位遗传(paramutation)”和“转座子跳跃”是非孟德尔遗传现象的两个典型的代表。等位遗传是指等位基因位于各自染色体上,通过染色体的反式修饰等相互作用,一个等位基因在转录水平上被另一个等位基因所沉默,且这种能力是可遗传的。


“paramutation”一词在国内较早出现于1964年的《遗传学与物种起源》一书的译本。作为一个现象在植物、真菌、小鼠和人中都有报道,因此这是一种在生物界广泛存在的表观遗传学现象。目前的研究表明RNA介导的DNA甲基化是等位遗传发生的基础机制,涉及表观遗传调控及染色质结构的动态变化。但是对于分子机制还有众多问题亟待解决,在等位遗传的形成、维持及传递机制等方面依然存在着众多疑惑。


朱健康研究组的郑志民借助萤火虫荧光蛋白(LUC)筛选系统,发现在DNA去甲基化关键蛋白ROS1的突变体中,报告基因的启动子区域由于表观修饰的改变而导致LUC报告基因沉默。有趣的是即使ROS1基因的突变被恢复到野生型,LUC报告基因的沉默状态依然能够稳定地遗传到后代(后代株系称为WT-LUC')。沉默表达的LUC'能够使稳定表达的LUC发生基因沉默,新生成的LUC'不仅能够稳定遗传沉默状态,而且还能改变稳定表达的LUC使其成为LUC'。


遗传学分析表明:等位遗传的发生与维持依赖于多拷贝重复序列上DNA甲基化水平(尤其是CG和CHG甲基化)的升高和组蛋白异染色质化,形成一种稳定的、不可逆转的基因沉默状态;其维持和传递的过程是在DNA甲基化,组蛋白修饰和小分子RNA多重基因沉默途径相关重要蛋白的共同参与下,使该位点的沉默状态稳定地遗传给子代和等位位点。


等位遗传的存在并非是一个偶然事件,而是生物适应环境的一个重要表现,对于植物尤其重要。发生等位遗传的亲本传递了一个环境变化的讯号,从而使后代可以和其亲本一样在类似环境下生存,这样更有利于提高植物对环境的适应性。该研究成果系统地解析了DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA等在等位遗传发生、维持与传递过程中的重要贡献。解析等位遗传的分子机制,将为植物响应环境应答,作物分子设计育种提供一套新的理论基础和指导。


该系列工作得到中科院等项目的资助。

Cell-子刊:上海生科院揭示等位遗传调控机制.jpg

图1 等位遗传现象遗传分析(F: 杂交;BC: 回交;S: 自交)

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图2 拟南芥pRD29A-LUC转基因位点等位遗传发生、维持和传递机制


原文链接:Involvement of Multiple Gene-Silencing Pathways in a Paramutation-like Phenomenon in Arabidopsis


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