Cell重要成果：繪制順反組景觀圖

日期：2016-05-23 09:05:22

Salk研究所的科學家們開發出了一項新技術用于快速繪制調控蛋白靶向DNA區域的圖譜，這一技術可以讓科學家們認識是什么使得某些植物具備耐旱或抗病等性狀。

揭示DNA上稱作為“順反組”（cistrome）的蛋白質結合區域的景觀圖，闡明了植物控制基因何時何地表達的機制。以往繪制植物細胞中順反組的一些方法非常困難且緩慢。詳細描繪在5月19日《細胞》（Cell）雜志上的這種新方法克服了這些障礙，全面地認識了遺傳調控這一至關重要的方面。

論文的資深作者、Salk研究所基因組分析實驗室主任Joseph Ecker說：“這是第一次全面地確定了一個植物基因組中所有調控元件的特征。順反組一直是人們試圖了解植物機能缺失的一塊信息。”

植物和動物細胞中的許多信息都包含在指導生成蛋白質的“編碼”DNA片段中。但研究人員日益認識到，基因組中其他區域具有的一些元件控制了細胞何時及如何生成這些蛋白。這些“非編碼”DNA片段就是轉錄因子結合來控制鄰近編碼基因激活的位點。

論文的共同第一作者、Salk研究所助理研究員Shao-shan Carol Huang說：“許多人類和動物模型研究表明，非編碼改變對于認識遺傳病癥和癌癥一類的疾病非常重要。能夠闡明這些非編碼區域在植物中的功能同樣重要。”

在過去，科學家們可以一次確定一個或兩個轉錄因子在何處附著到植物基因組上，但這些實驗非常緩慢。Ecker和同事們想完全繪制出數百或甚至數千已知轉錄因子的結合位置圖譜，因此他們需要一種更快速的方法來繪制這些位點。

為了獲得這一順反組圖譜，研究人員構建出了一個系統，在這一系統中他們可以將一個標記的轉錄因子添加到DNA文庫中，讓它結合DNA，隨后再分離出所有配對DNA-蛋白。這種叫做DNA親和純化測序(DAP-seq)的方法，大大擴展了科學家們收集到的關于轉錄因子及它們結合位點的信息。

論文的共同第一作者、Ecker實驗室研究員Ronan OMalley說：“我們的系統廉價且可擴展。它使得我們能夠捕獲全部的轉錄結合位點，因此我們獲得了完整的密碼本。并且，它不要求大多數植物實驗室無法利用的復雜或專門的實驗室設備。”

為了檢驗DAP-seq的功用，Ecker、Huang、OMalley和同事們繪制出了529種轉錄因子結合擬南芥基因組的位點。他們鑒別出了270萬個結合位點。隨后他們采用包含或不包含胞嘧啶甲基化的DNA重復了這些實驗，胞嘧啶甲基化指的是用化學甲基標簽來標記基因組表面進一步抑制或激活基因的一個過程。他們測試的大約四分之三的轉錄因子結合模式發生了改變。

OMalley說：“這使得我們能夠揭示出如果不除去甲基化我們或許會漏掉的結合位點。采用這種方法我們可以看到只在一部分細胞或組織中活化的結合位點。新研究不僅闡明了調控蛋白改變基因表達的機制，還揭示了表觀遺傳甲基化標記在這種調控中所起的作用。”

在發表于2016年5月《Nature Plants》雜志上的第二篇研究論文中，Ecker與杜克大學和西澳大利亞大學的合作小組揭示出，擬南芥根部不同類型的細胞具有不同的甲基化模式。利用DAP-seq，他們現在研究了根細胞中這些模式影響轉錄因子結合的機制。此外，他們還想研究不同轉錄因子彼此互作的機制，并嘗試將這種方法用于其他的植物物種和人類細胞。

Ecker 說：“這種方法的優點在于可用于所有的植物，其中許多植物都沒有在擬南芥中可使用的工具。這為我們提供了一扇窗口，了解調控序列中的遺傳或表觀遺傳變異影響它們性狀的機制。”

Ecker是國際植物分子生物學和植物基因組學研究領域的著名學者。2008年，借助高通量測序技術Ecker帶領Salk生物研究所的研究人員描繪出了模式植物擬南芥基因組中的個體DNA修飾，并且弄清了對擬南芥26000個基因中每個基因活性的影響。研究的結果發表在Cell雜志上。

2009年，Ecker領導Salk研究所基因組分析實驗室，Ludwig研究所癌癥研究中心，加州大學圣地亞哥分校等處的研究人員繪制了首張人類表觀遺傳學基因組圖譜，相關成果文章H發布在Nature上。

2015年，Ecker研究小組構建出了來自個體捐贈者（包括女人、男人和孩子）十多種不同人類器官最全面的表觀基因組圖譜。研究數據發表在Nature雜志上。