PNAS熱點文章：表觀基因組可因環境而改變

日期：2012-08-09 08:19:57

長期以來，人們普遍認為作為有機體發育關鍵步驟的甲基化只是靜態地DNA修飾，不會隨環境條件變化而改變。Salk生物研究所的研究人員發現，處于逆境下植物的DNA甲基化模式會發生變化，從而改變對基因的調控。

科學家發現植物遭遇致病菌后，其表觀遺傳學密碼會發生廣泛的大量改變，DNA中的表觀遺傳學密碼是協助調控基因表達一種指令信息。研究顯示，這些表觀遺傳學改變與負責調控植物脅迫應答的基因活性有關，這說明表觀基因組能幫助植物對致病菌和其他環境脅迫產生抗性。文章發表在Proceedings of the National Academy of Sciences雜志上。

“這意味著表觀基因組并不只是一種靜態指令，這種指令也能根據植物的經歷進行重寫，”該研究的領導者，Salk生物研究所基因組分析實驗室的Joseph Ecker教授說。“我們的研究以及其他研究者的發現共同證明，生活經歷會給DNA打下印記。”

Ecker及其同事對DNA甲基化調控擬南芥免疫系統的機制進行了研究。甲基化參與抑制整合到基因組中的“跳躍基因”轉座子的表達。研究人員在Illumina平臺上進行了全基因組測序，發現在植物應對細菌感染的過程中，出現了大量甲基化修飾的改變。隨后他們進行了大量分析來分析這些甲基化改變調節基因表達的機制。

“此前的研究顯示，有一些基因的表達與脅迫應答中甲基化改變有關，”文章第一作者Robert Dowen說。“而我們的研究發現，植物的脅迫應答引發了大量的甲基化修飾改變，從而幫助植物抵御入侵的致病菌。”

為了限制感染的致病菌生長，植物采用了一系列復雜的防御機制，激活多種激素信號來改變基因表達的網絡。Salk研究所的研究成果與其他一些近期研究一致，顯示植物的這些細胞防御應答通過DNA甲基化機制控制基因表達的網絡。這些遺傳物質的表觀遺傳學改變，包括DNA甲基化模式的改變和組蛋白的修飾（組蛋白在基因調節中具有關鍵作用），可以不改變DNA序列而對基因表達進行調控。此外，siRNA分子與DNA甲基化密切相關，尤其siRNA指導著對跳躍基因的甲基化過程。令研究者們感到驚訝的是，當植物被致病菌感染激活了特定轉座子時，這些siRNA的水平也發生了改變。上述發現說明在脅迫應答中植物的表觀基因組會發生變化。

Salk研究所的這項發現對農業具有廣泛的意義，能引導人們對植物的DNA甲基化模式進行改造，產生抗病植株減少殺蟲劑的使用。每年，致病菌造成一年生作物損失了30-40%，經濟損失高達約五千億美元，這種基因工程改造技術的應用將引起各界的強烈興趣。

《植物生理學Plant Physiology》最近發表了一項研究指出環境條件的記憶能傳遞到下一代，即遭遇過致病菌的親本植物，其子代體內天生就具備相應的防御機制。“人們并不了解這一現象，但它引起了科學家廣泛的興趣并成為了這一領域的研究熱點，”Dowen說。“我們的發現提供了一個研究框架，研究者們可以進行直接檢測，看我們觀察到的甲基化改變是否從親本傳遞給了子代，或者也可以對人類細胞進行研究看是否也存在類似機制。”