上海生科院揭示等位遺傳調控機制

　　5月14日，國際學術期刊Cell Reports在線發表了中國科學院上海生命科學研究院植物逆境生物學研究中心朱健康研究組題為Involvement of multiple gene silencing pathways in a paramutation-like phenomenon in Arabidopsis 的研究論文。該研究在模式植物擬南芥中，細致地探究了表觀遺傳修飾如何參與非孟德爾遺傳學現象“paramutation”（等位遺傳）的發生、維持與等位傳遞。

　　遺傳學是研究生物的遺傳與變異的科學，研究基因的結構、功能及其變異、傳遞和表達規律的學科。就遺傳規律而言，“等位遺傳（paramutation）”和“轉座子跳躍”是非孟德爾遺傳現象的兩個典型的代表。等位遺傳是指等位基因位于各自染色體上，通過染色體的反式修飾等相互作用，一個等位基因在轉錄水平上被另一個等位基因所沉默，且這種能力是可遺傳的。“paramutation”一詞在國內較早出現于1964年的《遺傳學與物種起源》一書的譯本。作為一個現象在植物、真菌、小鼠和人中都有報道，因此這是一種在生物界廣泛存在的表觀遺傳學現象。目前的研究表明RNA介導的DNA甲基化是等位遺傳發生的基礎機制，涉及表觀遺傳調控及染色質結構的動態變化。但是對于分子機制還有眾多問題亟待解決，在等位遺傳的形成、維持及傳遞機制等方面依然存在著眾多疑惑。

　　朱健康研究組的鄭志民借助螢火蟲熒光蛋白（LUC）篩選系統，發現在DNA去甲基化關鍵蛋白ROS1的突變體中，報告基因的啟動子區域由于表觀修飾的改變而導致LUC報告基因沉默。有趣的是即使ROS1基因的突變被恢復到野生型，LUC報告基因的沉默狀態依然能夠穩定地遺傳到后代（后代株系稱為WT-LUC')。沉默表達的LUC'能夠使穩定表達的LUC發生基因沉默，新生成的LUC'不僅能夠穩定遺傳沉默狀態，而且還能改變穩定表達的LUC使其成為LUC'。遺傳學分析表明：等位遺傳的發生與維持依賴于多拷貝重復序列上DNA甲基化水平（尤其是CG和CHG甲基化）的升高和組蛋白異染色質化，形成一種穩定的、不可逆轉的基因沉默狀態；其維持和傳遞的過程是在DNA甲基化，組蛋白修飾和小分子RNA多重基因沉默途徑相關重要蛋白的共同參與下，使該位點的沉默狀態穩定地遺傳給子代和等位位點。

　　等位遺傳的存在并非是一個偶然事件，而是生物適應環境的一個重要表現，對于植物尤其重要。發生等位遺傳的親本傳遞了一個環境變化的訊號，從而使后代可以和其親本一樣在類似環境下生存，這樣更有利于提高植物對環境的適應性。該研究成果系統地解析了DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA等在等位遺傳發生、維持與傳遞過程中的重要貢獻。解析等位遺傳的分子機制，將為植物響應環境應答，作物分子設計育種提供一套新的理論基礎和指導。

　　該系列工作得到中科院等項目的資助。

圖1 等位遺傳現象遺傳分析（F:雜交；BC: 回交；S: 自交）

圖2 擬南芥pRD29A-LUC轉基因位點等位遺傳發生、維持和傳遞機制