逆境中心在等位遗传调控机制领域取得重要进展

5月14日，国际学术期刊Cell Reports在线发表了中科院上海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博士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的遗传到后代（后代株系称为WT-LUC\&\#39\;)。沉默表达的LUC\&\#39\;能够使稳定表达的LUC发生基因沉默，新生成的LUC\&\#39\;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\&\#39\;。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的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。该研究成果系统的解析了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。（逆境中心）

图1：等位遗传现象遗传分析

F:杂交；BC: 回交；S: 自交

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