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了解如何控制跳跃基因

德克萨斯A&M大学和德克萨斯农业生命研究科学家的团队发现了一种新的发现 - 单一蛋白质Serrate如何在控制跳跃基因中发挥双重作用。科学家表示,这项工作将极大地帮助科学家操纵基因表达以培育更好的作物,并设计出一种更有效的治疗人类疾病的治疗策略。

了解如何控制跳跃基因

博士。Xiuren Zhang和Zeyang Ma,以及生物化学和生物物理学系的科学家团队以及大学站德克萨斯A&M的植物基因组学和生物技术研究所,他们的研究结果发表在发表细胞杂志上。

玉米遗传学家Barbara McClintock在20世纪40年代发现了跳跃基因或转座子。这些基因改变位置或沿着基因组“跳跃”并构成基因组DNA的大部分 - 超过人类基因组的40%和某些植物的高达90%的基因组。

“多年来,他们被认为是无用的或'垃圾'DNA,”张说。“然而,最近已知转座子在基因调控和进化中也起着非常重要的作用,而不管潜在的有害作用。”

该团队多年来一直致力于研究模式植物拟南芥中的Serrate功能,这是一种小杂草,是了解许多植物性状的分子生物学的常用工具。出乎意料的是,他们发现在处理microRNA和信息RNA方面最为人所知的Serrate也参与了跳跃基因表达的调控。

他们的工作涉及分离Serrate蛋白复合物。他们在复合物中发现了拟南芥(Tridorax)相关蛋白,称为ATXR5 / 6。这些酶为染色质添加组蛋白3 K27单甲基化或H3K27me1标记,染色质作为DNA的家,包括转座子基因。

“H3K27me1可以抑制转座子的表达,”马说。“这意味着H3K27me1标记越多,转座子基因的表达就越少。因此,缺乏ATXR5 / 6基因的植物中转座子的表达水平会增加。”

然后科学家使用了一种植物,该植物含有Serrate基因的突变,并调查了H3K27me1标记的全基因组水平。他们发现染色质上的这个标记在Serrate突变体中减少,这意味着Serrate促进ATXR5 / 6添加H3K27me1标记并抑制转座子转录物的产生。

“人们会期望转座子转录本会在缺乏Serrate基因的植物中高度积累,”Ma说。“当团队成员测量转座子转录本的水平时,令他们惊讶的是他们没有看到增量。相反,当植物同时错过ATXR5 / 6和Serrate基因时,转座子表达再次被关闭。

为了解决这个矛盾,科学家们提出,除了在添加H3K27me1标记时促进ATXR5 / 6酶活性之外,Serrate还必须具有额外的作用。

在筛选了几个潜在候选者后,他们确定了RNA依赖性RNA聚合酶6或RDR6。RDR6是一种蛋白质,一旦制成转录物就可以降低转座子转录物的量。该调节途径也称为转录后基因沉默。

当科学家将RDR6的突变引入缺乏Serrate和ATXR5 / 6基因的植物时,他们发现转座子转录本再次高度积累,正如在仅缺少ATXR5 / 6基因的植物中观察到的那样。

“这意味着,Serrate保护转座子转录本免受RDR6的沉默,”Ma说。“总而言之,我们发现一种蛋白质在不同的调节步骤中具有完全相反的功能,以控制目标的净量。”

“如果你仔细研究转座子的功能,这是完全有意义的,因为它们很重要,但如果它们的表达水平太高,也对宿主有害”马说。“转座子基因必须受到平衡力的严格控制,以允许低但必需的表达。我仍然对美丽优雅的自然设计印象深刻,植物使用单一蛋白质来微调基因表达水平。”

张说,Serrate及其同源砷抗性基因2在植物和人类的生物学中起着至关重要的作用。

在植物中,缺少锯齿导致雕像减少,叶片变形和对环境压力的反应改变。在人类中,敲除ARS2导致胚胎致死,并且改变的ARS2表达与骨髓和神经干细胞中的几种病症相关。

建立Serrate和转座子沉默之间的联系不仅代表了该领域的重大进步,而且从长远来看也提供了改善农业特性和解决人类疾病的新思路。

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