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研究发现基因编辑新目标,可使作物更具抗逆性
来源:iPlants 发布时间:2019-12-06

2019年11月18日,Nature Plants杂志背靠背在线发表了来自美国佐治亚大学Xiaoyu Zhang课题组和Robert J. Schmitz课题组合作两篇论文,分别题为“Widespread long-range cis-regulatory elements in the maize genome”和“The prevalence, evolution and chromatin signatures of plant regulatory elements”的研究论文。该两篇论文在植物中鉴定了上万个远端顺式调控元件CRE,并揭示了远端CRE在植物中很普遍,尤其是在基因组庞大而复杂的物种中。同时,研究表明远端CRE可通过独特的染色质特征调节基因表达。因此,该研究的发现为基因编辑作物提供了新目标,可使作物更具抗逆性!

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远端顺式调控元件(CRE)对基因的远距离转录控制是哺乳动物基因组的重要且经过充分证实。相比之下,关于植物远端CRE的许多基本问题(例如其序列和染色质特性,转录调控行为和作用机制)仍未得到解答。

以往研究表明,拟南芥基因组中CREs主要位于基因内部或附近。但是,玉米QTL研究表明,CRE可以控制位于数十个千碱基之外的基因。此外,研究证明易接近常染色质ACR中富含基因间QTL,其可能是未注释基因,非编码转录或调控元件的形式。

该两篇文章先以组蛋白修饰数据鉴定了7157个与转录单位不相似的ACR。而这些ACRs不太可能成为注释产物,是玉米基因组中远距离CRE的最可能候选者。通过将ATAC-seq分析与多种染色质分析相结合,证明了玉米基因组中的远端CRE非常丰富。此外玉米结果表明,H3Kac dACR与高表达基因相关,而H3K27me3 dACR与沉默基因相关,表明玉米dACR的染色质标记与哺乳动物相似。然而,玉米dACRs上没有H3K4me1,与哺乳动物增强子形成对比,并暗示了TFs与染色质途径相互作用的机制差异。

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此外,该两篇文章对13个被子植物(包括拟南芥)进行了一组比较基因组和表观基因组分析。结果不仅鉴定了数以万计的植物CRE,包括位于启动子,终止子和基因远端的植物CRE,而且还表明远端CREs具有独特的染色质特征,可预测其对靶基因的作用方式。多物种比较表明,大多数远端CRE起源于基因近端区域(例如启动子),并由于转座因子增殖而成为基因远端的,如玉米中的远端CRE优先位于其靶基因的上游并与其相邻。因此,CRE进行的远距离转录调控是被子植物中的常见现象。

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因此,该文发现的结果,使得我们以后可以靶向CRE以控制基因表达,即通过特定程度向上或向下调高基因表达,让植物产生一系列表达差异及表型特征。


论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41477-019-0547-0

https://www.nature.com/articles/s41477-019-0548-z


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