一般说来大豆TaGS2基因表明调整钻探获进展,遗传

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摘要:普通小麦是全球重要的粮食作物之一,含有A、B和D三个基因组,不同基因组的同源基因在多倍化过程中会出现功能分化或冗余。解析基因组同源基因表达调控机理有助于加深对功能基因

普通小麦是全球重要的粮食作物之一,含有A、B和D三个基因组,不同基因组的同源基因在多倍化过程中会出现功能分化或冗余。解析基因组同源基因表达调控机理有助于加深对功能基因的理解,为小麦新品种设计和培育奠定理论基础。中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心李俊明研究组在表观遗传学及染色质结构参与六倍体小麦基因组同源基因表达调控中取得了新进展。

核小体作为真核生物染色质的基本单位,由DNA缠绕组蛋白八聚体构成。组蛋白N端存在多种共价修饰,这些翻译后修饰通过影响染色质的状态而调控基因表达等过程。组蛋白H3第27位赖氨酸的三甲基化修饰通过维持基因的沉默状态,在动植物细胞命运决定以及发育中起着重要的调控作用。实验室前期研究发现REF6/JMJ12可以特异性地去除H3K27me3/me2甲基化修饰,调控拟南芥基因组中超过600个基因的H3K27me3水平。该工作于2011年发表在Nature Genetics 杂志。然而,REF6如何特异性招募到这些靶基因上的分子机制还不清楚。

该研究利用科农9204小麦缺失突变体证明,氮代谢过程关键基因TaGS2 的基因组同源基因(TaGS2-ATaGS2-BTaGS2-D)功能冗余。图片 1TaGS2表达具有明显的时空特异性,主要在地上部早期叶片中表达,其中TaGS2-B表达显著高于TaGS2-ATaGS2-D,而根中表达受到抑制。ChIP和BSP结果证明,TaGS2时空表达特异性以及基因组同源基因表达差异受到组蛋白H3K4m3和DNA胞嘧啶甲基化的共同调控。对染色质结构的研究表明,启动子区域的核小体分布主要参与TaGS2的时空表达调控。相比之下,转录区域的核小体分布主要参与微调TaGS2基因组同源基因表达差异。研究结果表明,组蛋白修饰、DNA甲基化以及核小体分布三者协同调控了氮代谢关键基因TaGS2 表达。

中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风研究组通过研究发现,REF6蛋白C端的串联锌指结构域是其功能所必须的。缺失串联锌指结构域的REF6蛋白虽然仍具有H3K27me3去甲基化的酶活性,但是不能找到其靶基因位点。进一步研究发现REF6可以通过自身的串联锌指结构域识别特异DNA基序实现其对靶基因的选择性,进而实现位点特异性的H3K27me3去甲基化。通过对基因组内CTCTGYTY基序的生物信息学分析,研究者发现REF6更倾向于结合在CTCTGYTY基序密集而且染色质处于活跃状态的区域。同时研究者发现在ref6突变体中有一定比例的子叶融合表型。前人研究发现拟南芥CUC1,CUC2和CUC3三个同源的转录因子参与了子叶边界分离过程。染色质免疫共沉淀实验表明,REF6可以结合CUC1CUC3基因位点并去除H3K27me3甲基化,但不影响CUC2。与之前的发现一致的是CUC1CUC3基因位点含有多个CTCTGYTY基序,而CUC2基因位置不含有此基序。ref6CUC基因的双突变以及三突变的遗传分析进一步证实REF6通过CUC1CUC3基因而不是CUC2基因调节器官边界形成。REF6同源蛋白广泛存在于植物不同类群(从苔藓植物到被子植物),对这些蛋白锌指结构域的序列识别特异性进行进一步研究将有助于理解植物中组蛋白去甲基化酶有何特异调控靶基因。

这一研究成果公布在《科学报告》(Scientific Reports,DOI:10.1038/srep44677)杂志上,李俊明研究组的副研究员张玮、中科院成都生物研究所博士樊小莉、河北师范大学高英杰为共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。

该项研究成果于4月25日在Nature Genetics 杂志在线发表(doi:10.1038/ng.3556)。曹晓风实验室的副研究员崔霞(现为中国农业科学院蔬菜花卉所研究员)、陆发隆和博士研究生邱琦以及博士后周兵为本文的共同第一作者。该项研究得到了科技部重大研究计划、国家自然科学基金和植物基因组学国家重点实验室的资助。

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REF6通过ZnF结构域识别CTCTGYTY序列

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