冷泉港Cell新文章揭示植物避免損害分子機制
2012-10-12
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在所有的活生物體內(nèi)，所有的細胞都具有相同的DNA，但每個細胞的身份則是由任何特定時間開啟或關(guān)閉的基因組合所決定。在動物的兩代之間這樣的細胞記憶被抹去，以致新的卵細胞沒有記憶，由此具有成為所有細胞類型的潛能。與之相反，在開花植物中細胞的記憶代代相傳，對于新植物的發(fā)育有可能具有潛在的有害影響。在一期的《細胞》（Cell）雜志上，來自葡萄牙古爾班基安科學(xué)研究所（IGC）和美國冷泉港實驗室（CSHL）的科學(xué)家們描述了一種有可能在花粉粒和種子中沉默移動DNA突變序列，由此避免對新植物損害的新機制。促成細胞記憶的主要機制之一是將一種化學(xué)基團——甲基團添加到DNA序列上，這一過程就稱之為甲基化作用。DNA甲基化會導(dǎo)致基因關(guān)閉。基因表達中的這些可以遺傳，但卻并不直接書寫在DNA序列上的改變就稱之為表觀遺傳。利用模式植物擬南芥，古爾班基安科學(xué)研究所的Jörg Becker、José Feijó和他們的研究小組，以及冷泉港實驗室的Robert Martienssen及同事分析了花粉粒和它們前體細胞的基因組，地找到了甲基化的DNA序列?；ǚ哿０瑑蓚€精細胞（性細胞）和一個附屬的營養(yǎng)核，營養(yǎng)核的DNA不會傳遞給下一代。利用古爾班基安科學(xué)研究所團隊開發(fā)的技術(shù)，研究人員分離了兩個精細胞和花粉粒的營養(yǎng)核，分別檢測了它們的甲基化狀態(tài)。
Jörg Becker說：“我們在性細胞中揭示了一種可以防止?jié)撛谟泻D(zhuǎn)座因子激活的機制，而同時在精細胞和卵細胞融合時，使得具有完力成為所有細胞類型的細胞能夠形成，這將導(dǎo)致新的一代。另一方面，如果卵細胞中的雌性siRNAs與來自雄性的新來轉(zhuǎn)座因子不相匹配，它們有可能在發(fā)育胚胎中逃避沉默，對于生成的新植物具有潛在的有害影響。轉(zhuǎn)座因子這樣不受控制的激活至少有可能部分解釋了存在的雜交障礙，即物種間的雜交導(dǎo)致了種子發(fā)育不全或不育。打破這種障礙將提高植物培育者利用雜種優(yōu)勢現(xiàn)象改良農(nóng)作物物種的機會。”*開花植物是重設(shè)細胞記憶規(guī)則的例外，因為它的修飾有可能遺傳數(shù)百代。然而直到現(xiàn)在對于此在植物性細胞中發(fā)生的程度，以及基因組表觀遺傳重編程有可能如何促成它還不是很清楚。現(xiàn)在描述的機制有可能成為一個強有力的論據(jù)來解釋有性繁殖進化和在大多數(shù)更高等生物體中變得如此普遍的原因。
Martienssen實驗室的Joseph Calarco和Becker實驗室的Filipe Borges觀察到DNA甲基化主要保持在小孢子和花粉粒中。但不同的細胞類型之間存在著一些差異。在花粉粒中，一些DNA序列只在精細胞中而不在營養(yǎng)核中甲基化，反之亦然。在這些非甲基化基因中移動DNA序列，稱作轉(zhuǎn)座因子，能夠轉(zhuǎn)為活躍狀態(tài)導(dǎo)致誘變效應(yīng)研究小組發(fā)現(xiàn)小RNA序列（siRNAs）可以挽救這種情況，恢復(fù)胚胎中轉(zhuǎn)座因子的甲基化。事實上，他們發(fā)現(xiàn)精細胞中的siRNA甚至在受精前就沉默了轉(zhuǎn)座因子，至少在某些情況下。轉(zhuǎn)座因子在所有已知基因組中非常常見，例如它們構(gòu)成了45%的全基因組。它們參與了基因組進化，因為當(dāng)整合到基因組中時，它們可以影響其他基因的功能和組織。不管怎樣，轉(zhuǎn)座因子是誘變劑，因為它有可能對細胞和生物體有害，因此它們的激活需要在嚴(yán)格的控制下。如果這樣的有害突變發(fā)生在性細胞中，它們將傳遞至子代，擴散到群體中。
