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调控玉米性状 可变剪接“火”起来
来源:科技日报   发布者:ailsa   日期:2018-08-07   今日/总浏览:2/643

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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,这个早在上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,可变剪接不仅丰富蛋白质组多样性,还在生物体内起着重要的调控作用。

可变剪接是什么?这项研究有了什么新发现?是怎样得出来的?实验中的难点是什么?对之后的研究有怎样的借鉴意义?科技日报就此采访了该研究团队。

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道,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,可变剪接自上世纪被提出以来,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,以及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“火热”起来,这些研究分别从不同环境下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各基因,在基因组中的位置给找出来。

为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,“并且玉米是异交作物,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到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摄氏度液氮环境下磨碎,再进行RNA提取工作。

“双手磨出泡是常有的事儿。担心唾液淀粉酶降解掉RNA,我们必须要戴双层口罩,不能说话,一天下来耳朵那儿被绳子勒得很疼。”陈秋月讲述道,“这次实验涉及1万多个基因,SNP标记有125万个,数据分析工作量很大。而且实验室服务器的容量不够,我那会儿经常到别的实验室借机器用,还去过武汉借华中农大的超级计算机跑程序。”

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,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。”刘海军解释道。

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,由于其上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。

刘海军将这样的功能区域形象比喻为转录因子的“手”,并进一步解释:“如果可变剪接,比如外显子跳跃,使得转录出的转录因子丢掉了发挥识别功能的区域,但是其他的功能域特别是‘手’还被保留下来,那这些因不能识别DNA而无法正常行使功能的转录因子片段,就会死缠烂打地牵着功能正常的蛋白质,大量消耗正常转录因子,使其也无法行使调控作用了。”

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。

“就像在家庭关系中老公挣钱交给老婆,老婆操心分配这些钱该怎么花,挣钱的总量和分配下去的比例这两个过程是相对独立的,或者说由不同角色来负责的。”刘海军对科技日报讲解道,“当然也有同一个人说了算的情况,但是这种情况的比例比较低。”

指挥“千军万马”的“司令官”

有一个小家伙引起了研究人员的特别注意。实验发现,一条叫做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,由于此前已有研究发现,ZmGRP1在拟南芥中的同源蛋白AtGRP7和AtGRP8可以调控许多基因的可变剪接,由此她推测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。

此外,根据此次QTL定位图谱中的一些sQTL与eQTL共定位现象,科学家们推测,可变剪接变异可能直接影响表型变异,但具体的调控过程仍有待探索。

“在这方面我们的结果更重要地是提供了一个资源,可以让玉米界其他研究具体性状或者具体基因的同仁参考、借鉴。”刘海军表示。可以展望的是,在今后的研究中,或可在不影响基因表达的情况下,人为改变其转录本构成,可以对玉米性状进行更精细的调控。

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