調(diào)控玉米性狀，可變剪接“火”起來

劉雨亭

最近，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)國家玉米改良中心田豐教授團(tuán)隊與楊小紅教授團(tuán)隊合作研究，以368份玉米自交系未成熟籽粒為實驗材料，定位玉米種全基因組水平QTL（數(shù)量性狀位點），全面解析了其可變剪接的調(diào)控機(jī)制，并為研究表型變異提供了重要線索。相關(guān)論文近日發(fā)表在《植物細(xì)胞》雜志上。

可變剪接，這個早在20世紀(jì)就被提出的概念，在近幾年的研究中，又“火”了起來。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，可變剪接不僅豐富了蛋白質(zhì)組多樣性，還在生物體內(nèi)起著重要的調(diào)控作用。

玉米變異豐富，比人猿間差異還大

可變剪接又稱選擇性剪接，其過程是未成熟的mRNA（信使RNA）分子通過選擇不同的剪切位點，切除掉其部分片段，將剩余片段以多樣化組合方式重新連接在一起，形成多種不同結(jié)構(gòu)的成熟mRNA分子。

“簡單來說，就是一個前體mRNA分子可以經(jīng)過不同的加工方式，形成不同的成熟mRNA產(chǎn)物?！痹撜撐牡谝蛔髡?、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米改良中心陳秋月博士解釋，這就像用剪刀去剪繩子，再把剪下來的繩段重新打結(jié)一樣，剪哪里、剪幾刀、留下哪些繩段、以什么順序打結(jié)，這些都會產(chǎn)生不同的新繩。

成熟mRNA分子可翻譯表達(dá)各種不同的蛋白質(zhì)，因此可變剪接自20世紀(jì)被提出以來，就被認(rèn)為是豐富蛋白質(zhì)組多樣性的主要機(jī)制。近幾年，隨著科學(xué)家們通過實驗發(fā)現(xiàn)，可變剪接在細(xì)胞內(nèi)還起著重要的調(diào)控作用，同時隨著高通量測序技術(shù)及生物信息學(xué)的飛速發(fā)展，可變剪接的相關(guān)研究又“火”起來了，這些研究分別從不同環(huán)境比對單個基因和個別品種可變剪接變化的角度展開。而這次實驗所采用的全基因組水平QTL定位方法，在植物學(xué)領(lǐng)域是一次創(chuàng)新嘗試。

QTL是指控制數(shù)量性狀的基因在基因組中的位置。全基因組水平QTL定位，通俗地講就是在全基因組范圍內(nèi)，把控制株高、籽粒重等變異連續(xù)性狀的基因，在基因組中的位置給找出來。

為了更接近玉米群體真實轉(zhuǎn)錄水平，研究團(tuán)隊采用自然群體，以368份玉米自交系未成熟籽粒為實驗材料，對轉(zhuǎn)錄本組，即一個基因通過可變剪接轉(zhuǎn)錄形成的多種成熟mRNA，進(jìn)行重新組裝，獲得了以往未被研究的新轉(zhuǎn)錄本。

“玉米遺傳多樣性高，基因組變異和表型變異都非常豐富，任何兩顆玉米之間的差異，都比人和猩猩之間的差異大。”論文共同第一作者、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國家重點實驗室博士后劉海軍說，“玉米是異交作物，連鎖不平衡衰減很快，定位精度高，非常適合用來研究可變剪接的遺傳機(jī)理?！?/p>

對實驗材料的轉(zhuǎn)錄本組取樣是項繁重的工作。368份玉米自交系，每份自交系種植15株，再選3到5株做自交，在成功收獲的每根玉米棒上用手術(shù)刀取15顆完整籽粒。算下來，一共需要人工剝?nèi)?萬多顆玉米粒，這僅是取樣的第一步?？蒲袌F(tuán)隊還需將玉米粒在零下190℃液氮環(huán)境下磨碎，再進(jìn)行RNA提取工作。

不同QTL，功能定位各負(fù)其責(zé)

該項研究發(fā)現(xiàn)，可變剪接能通過與不同層次的分子調(diào)控機(jī)制頻繁偶聯(lián)，進(jìn)而廣泛參與細(xì)胞轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控。

其中一類調(diào)控機(jī)制是小RNA介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，小RNA是一種非編碼單鏈RNA分子，會識別與之序列相匹配的轉(zhuǎn)錄本，并和其他蛋白一起將其降解?！暗绻驗榭勺兗艚颖磉_(dá)出不含相應(yīng)識別位點的轉(zhuǎn)錄本，則不會受此影響。”劉海軍說。

還有一類是無義介導(dǎo)的mRNA降解機(jī)制。“通過內(nèi)含子保留形成的轉(zhuǎn)錄本中，保留下來的這段內(nèi)含子上如果含有終止密碼子，就會導(dǎo)致翻譯提前終止，這樣的mRNA序列就會被細(xì)胞降解掉?！眲⒑＼娊忉?。

除此之外，可變剪接也對小干擾多肽起著調(diào)控作用。轉(zhuǎn)錄因子在此過程中扮演著核心角色。轉(zhuǎn)錄因子是基因表達(dá)調(diào)控研究領(lǐng)域的“明星”——一個轉(zhuǎn)錄因子可以影響一系列下游的基因在何時何地表達(dá)，甚至表達(dá)量的多少。有一類轉(zhuǎn)錄因子，由于其存在一段多聚化功能區(qū)域，需通過形成二聚體才能發(fā)揮作用。

該實驗通過對玉米全基因組QTL進(jìn)行定位，發(fā)現(xiàn)sQTL（控制可變剪接變異的QTL）與eQTL（控制基因表達(dá)的QTL）共定位的情況占比很小。由此看來，基因表達(dá)總量的多少和其轉(zhuǎn)錄本組的比例構(gòu)成，二者關(guān)系并不密切。

指揮“千軍萬馬”的“司令官”

實驗發(fā)現(xiàn)，一條叫ZmGRP1的基因可以調(diào)控高達(dá)一千多個下游基因的可變剪接。陳秋月表示，此前已有研究發(fā)現(xiàn)，ZmGRP1在擬南芥中的同源蛋白AtGRP7和AtGRP8可以調(diào)控許多基因的可變剪接，由此可推測ZmGRP1也有相似的功能。

為證實這一設(shè)想，她利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，敲除該基因編碼區(qū)，被破壞掉編碼區(qū)的ZmGRP1就無法正常表達(dá)。將經(jīng)過此處理的植株和正常植株進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)有一千多個基因的可變剪接受到影響。ZmGRP1就如司令官指揮千軍萬馬一般，調(diào)控著這些基因的可變剪接。

可以展望的是，在今后的研究中，可在不影響基因表達(dá)的情況下，人為改變其轉(zhuǎn)錄本構(gòu)成，對玉米性狀進(jìn)行更精細(xì)的調(diào)控。

（來源：《科技日報》）