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    调控玉米性状,可变剪接“火”起来

    来源:《科技日报》 作者:刘雨亭  时间:2018年12月5日 浏览:469 次

    最近,中国农业大学国家玉米改良中心田丰教授团队与杨小红教授团队合作研究,以 368 份玉米自交系未成熟籽粒为实验材料,定位玉米种全基因组水平 QTL(数量性状位点),全面解析了其可变剪接的调控机制,并为研究表型变异提供了重要线索。相关论文近日发表在《植物细胞》杂志上。

     

    可变剪接,这个早在 20 世纪就被提出的概念,在近几年的研究中,又“火”了起来。科学家们发现,可变剪接不仅丰富了蛋白质组多样性,还在生物体内起着重要的调控作用。

     

    玉米变异丰富,比人猿间差异还大

     

    可变剪接又称选择性剪接,其过程是未成熟的mRNA(信使 RNA)分子通过选择不同的剪切位点,切除掉其部分片段,将剩余片段以多样化组合方式重新连接在一起,形成多种不同结构的成熟 mRNA分子。

     

    “简单来说,就是一个前体 mRNA 分子可以经过不同的加工方式,形成不同的成熟 mRNA 产物。”该论文第一作者、中国农业大学玉米改良中心陈秋月博士解释,这就像用剪刀去剪绳子,再把剪下来的绳段重新打结一样,剪哪里、剪几刀、留下哪些绳段、以什么顺序打结,这些都会产生不同的新绳。

     

    成熟 mRNA 分子可翻译表达各种不同的蛋白质,因此可变剪接自 20 世纪被提出以来,就被认为是丰富蛋白质组多样性的主要机制。近几年,随着科学家们通过实验发现,可变剪接在细胞内还起着重要的调控作用,同时随着高通量测序技术及生物信息学的飞速发展,可变剪接的相关研究又“火”起来了,这些研究分别从不同环境比对单个基因和个别品种可变剪接变化的角度展开。而这次实验所采用的全基因组水平 QTL 定位方法,在植物学领域是一次创新尝试。

     

    QTL 是指控制数量性状的基因在基因组中的位置。全基因组水平 QTL 定位,通俗地讲就是在全基因组范围内,把控制株高、籽粒重等变异连续性状的基因,在基因组中的位置给找出来。

     

    为了更接近玉米群体真实转录水平,研究团队采用自然群体,以 368 份玉米自交系未成熟籽粒为实验材料,对转录本组,即一个基因通过可变剪接转录形成的多种成熟 mRNA,进行重新组装,获得了以往未被研究的新转录本。

     

    “玉米遗传多样性高,基因组变异和表型变异都非常丰富,任何两颗玉米之间的差异,都比人和猩猩之间的差异大。”论文共同第一作者、华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室博士后刘海军说, “玉米是异交作物,连锁不平衡衰减很快,定位精度高,非常适合用来研究可变剪接的遗传机理。”

     

    对实验材料的转录本组取样是项繁重的工作。368 份玉米自交系,每份自交系种植 15 株,再选 3 5 株做自交,在成功收获的每根玉米棒上用手术刀取15 颗完整籽粒。算下来,一共需要人工剥取 2 万多颗玉米粒,这仅是取样的第一步。科研团队还需将玉米粒在零下 190℃液氮环境下磨碎,再进行 RNA提取工作。

     

    不同 QTL,功能定位各负其责

     

    该项研究发现,可变剪接能通过与不同层次的分子调控机制频繁偶联,进而广泛参与细胞转录及转录后水平调控。

     

    其中一类调控机制是小 RNA 介导的转录调控,小 RNA 是一种非编码单链 RNA分子,会识别与之序列相匹配的转录本,并和其他蛋白一起将其降解。“但如果因为可变剪接表达出不含相应识别位点的转录本,则不会受此影响。”刘海军说。

     

    还有一类是无义介导的 mRNA 降解机制。“通过内含子保留形成的转录本中,保留下来的这段内含子上如果含有终止密码子,就会导致翻译提前终止,这样的 mRNA 序列就会被细胞降解掉。”刘海军解释。

     

    除此之外,可变剪接也对小干扰多肽起着调控作用。转录因子在此过程中扮演着核心角色。转录因子是基因表达调控研究领域的“明星”——一个转录因子可以影响一系列下游的基因在何时何地表达,甚至表达量的多少。有一类转录因子,由于其存在一段多聚化功能区域,需通过形成二聚体才能发挥作用。

     

    该实验通过对玉米全基因组 QTL 进行定位,发现 sQTL(控制可变剪接变异的 QTL)与 eQTL(控制基因表达的QTL)共定位的情况占比很小。由此看来,基因表达总量的多少和其转录本组的比例构成,二者关系并不密切。

     

    指挥“千军万马”的“司令官”

     

    实验发现,一条叫 ZmGRP1 的基因可以调控高达一千多个下游基因的可变剪接。陈秋月表示,此前已有研究发现,ZmGRP1 在拟南芥中的同源蛋白AtGRP7 AtGRP8 可以调控许多基因的可变剪接,由此可推测 ZmGRP1 也有相似的功能。

     

    为证实这一设想,她利用 CRISPR/Cas9 基因编辑技术,敲除该基因编码区,被破坏掉编码区的ZmGRP1 就无法正常表达。将经过此处理的植株和正常植株进行比对,发现有一千多个基因的可变剪接受到影响。ZmGRP1 就如司令官指挥千军万马一般,调控着这些基因的可变剪接。

     

            可以展望的是,在今后的研究中,可在不影响基因表达的情况下,人为改变其转录本构成,对玉米性状进行更精细的调控。