实验揭示植物的表观遗传影响动态基因沉默和再激活

生物学中最令人着迷的发现之一是细胞具有动态调节基因表达的机制。这种在不改变 DNA 序列本身的情况下促进或限制特定基因转录的能力对所有生命形式都至关重要，从单细胞生物到最复杂的植物和动物物种。

虽然我们对这些所谓的表观遗传机制的理解还远未完成，但随着对多梳抑制复合物 2 (PRC2) 作用的理解，该领域已取得了显著进展。PRC2 是一种蛋白质，在许多植物中，它与称为多梳反应元件 (PRE) 的特定 DNA 序列结合，并对附近的组蛋白(细胞核中 DNA 的结构支撑)进行化学标记。

这种化学修饰被称为“H3K27 三甲基化 (H3K27me3)”，可防止附近的基因转化为 RNA，进而转化为蛋白质，从而有效地抑制这些基因。尽管有这些知识，但科学家尚未了解如何重新开启被 PRC2 抑制的基因。

在一项发表于eLife的研究中，日本奈良先端科学技术大学院大学 (NAIST) 的一个研究小组试图找到这个谜题的答案。在山口信敏的带领下，该团队对转基因拟南芥植物进行了广泛的实验，揭示了这些植物和许多其他生物体内复杂的表观遗传管弦乐的关键部分。

研究人员主要关注的是含有集合结构域的蛋白 7 (SDG7)，已知该蛋白可调节细胞胞质溶胶(细胞内液)中蛋白质的甲基化。初步实验表明，SDG7 也存在于细胞核中，这促使该团队进一步研究。

在对突变的拟南芥培养物进行一系列广泛的分析和测量后，研究人员发现了 SDG7 的新作用。事实证明，这种蛋白质也能与 PRE 结合，与 PRC2 竞争。

此外，SDG7 实际上可以取代 PRC2，防止其留下 H3K27me3 标记。除此之外，SDG7 本身还通过 H3K36 甲基化添加活性组蛋白标记。

H3K36 甲基化到位后，蛋白质对 SDG8 和聚合酶相关因子 1(PAF1)将这一活性标记扩散到整个基因体内，从而实现有效的基因激活。

从某种程度上来说，组蛋白位点 H3K27 和 H3K36 可以被解释为一个“开关”，可以动态地打开和关闭特定基因的表达。

Yamaguchi 说：“H3K27 和 H3K36 甲基化之间这种简单而优雅的拮抗分子开关非常适合植物发育过程中的表观遗传重编程。”

“由于在许多开花植物中都观察到了 H3K27 和 H3K36 甲基化之间的转换，因此 SDG 和 PRC2 在 PRE 处的竞争机制可能在许多植物物种中得以保留，以控制发育。”

这项研究揭示了无数植物和动物可能依赖的复杂表观遗传机制，可能为未来农业、园艺和农场领域的突破铺平道路。

山口总结道：“鉴于表观遗传调控在发育和环境反应过程中的基因表达中发挥着广泛的作用，我们相信我们的研究结果将引起植物生物学家和表观遗传学家的广泛兴趣。”

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