調控玉米性狀 可變剪接「火」起來
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最近，中國農業大學國家玉米改良中心田豐教授團隊與楊小紅教授團隊合作研究，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(數量性狀位點），全面解析了其可變剪接的調控機制，並為研究表型變異提供了重要線索。相關論文近日發表在《植物細胞》雜誌上。
實習生 劉雨亭
可變剪接，這個早在上世紀就被提出的概念，在近幾年的研究中，又「火」了起來。科學家們發現，可變剪接不僅豐富蛋白質組多樣性，還在生物體內起著重要的調控作用。
可變剪接是什麼？這項研究有了什麼新發現？是怎樣得出來的？實驗中的難點是什麼？對之後的研究有怎樣的借鑑意義？科技日報就此採訪了該研究團隊。
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，將剩餘片段以多樣化組合方式重新連接在一起，形成多種不同結構的成熟mRNA分子。
「簡單來說，就是一個前體mRNA分子可以經過不同的加工方式，形成不同的成熟mRNA產物。」該論文第一作者、中國農業大學玉米改良中心陳秋月博士解釋道，這就像用剪刀去剪繩子、再把剪下來的繩段重新打結一樣，剪哪裡、剪幾刀、留下哪些繩段、以什麼順序打結，這些都會產生不同的新繩。
成熟mRNA分子可翻譯表達各種不同的蛋白質，因此，可變剪接自上世紀被提出以來，就被認為是豐富蛋白質組多樣性的主要機制。近幾年，隨著科學家們通過實驗發現可變剪接在細胞內還起著重要的調控作用，以及高通量測序技術及生物信息學的飛速發展，可變剪接的相關研究又「火熱」起來，這些研究分別從不同環境下比對單個基因和個別品種可變剪接變化的角度展開。而這次實驗所採用的全基因組水平QTL定位方法，在植物學領域是一次創新嘗試。
QTL是指控制數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，就是在全基因組範圍內，把控制株高、籽粒重等變異連續性狀的各基因，在基因組中的位置給找出來。
為更接近玉米群體真實轉錄水平，研究團隊採用自然群體，以368份玉米自交系未成熟籽粒為實驗材料，對轉錄本組，即一個基因通過可變剪接轉錄形成的多種成熟mRNA，進行重新組裝，獲得了以往未被研究的新轉錄本。
「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、華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室博士後劉海軍說，「並且玉米是異交作物，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理。」
對實驗材料的轉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，在成功收穫的每根玉米棒上用手術刀取15顆完整籽粒。算下來，一共需要人工剝取2萬多顆玉米粒，這僅是取樣的第一步。科研團隊還需將玉米粒在零下190攝氏度液氮環境下磨碎，再進行RNA提取工作。
「雙手磨出泡是常有的事兒。擔心唾液澱粉酶降解掉RNA，我們必須要戴雙層口罩，不能說話，一天下來耳朵那兒被繩子勒得很疼。」陳秋月講述道，「這次實驗涉及1萬多個基因，SNP標記有125萬個，數據分析工作量很大。而且實驗室伺服器的容量不夠，我那會兒經常到別的實驗室藉機器用，還去過武漢借華中農大的超級計算機跑程序。」
不同QTL，功能定位各負其責
該項研究發現，可變剪接能通過與不同層次的分子調控機制頻繁偶聯，進而廣泛參與細胞轉錄及轉錄後水平調控。
其中一類調控機制是小RNA介導的轉錄調控。小RNA，一種非編碼單鏈RNA分子，會識別與之序列相匹配的轉錄本，並和其他蛋白一起將其降解。「但如果因為可變剪接表達出不含相應識別位點的轉錄本，則不會受此影響。」劉海軍說。
還有一類是無義介導的mRNA降解機制。「通過內含子保留形成的轉錄本中，保留下來的這段內含子上如果含有終止密碼子，就會導致翻譯提前終止，這樣的mRNA序列就會被細胞降解掉。」劉海軍解釋道。
除此之外，可變剪接也對小幹擾多肽起著調控作用。轉錄因子在此過程中扮演著核心角色。轉錄因子是基因表達調控研究領域的「明星」——一個轉錄因子可以影響一系列下遊的基因在何時何地表達，甚至表達量的多少。有一類轉錄因子，由於其上存在一段多聚化功能區域，需通過形成二聚體才能發揮作用。
劉海軍將這樣的功能區域形象比喻為轉錄因子的「手」，並進一步解釋：「如果可變剪接，比如外顯子跳躍，使得轉錄出的轉錄因子丟掉了發揮識別功能的區域，但是其他的功能域特別是『手』還被保留下來，那這些因不能識別DNA而無法正常行使功能的轉錄因子片段，就會死纏爛打地牽著功能正常的蛋白質，大量消耗正常轉錄因子，使其也無法行使調控作用了。」
該實驗通過對玉米全基因組QTL進行定位，發現sQTL（控制可變剪接變異的QTL）與eQTL（控制基因表達的QTL）共定位的情況佔比很小。由此看來，基因表達總量的多少和其轉錄本組的比例構成，二者關係並不密切。
「就像在家庭關係中老公掙錢交給老婆，老婆操心分配這些錢該怎麼花，掙錢的總量和分配下去的比例這兩個過程是相對獨立的，或者說由不同角色來負責的。」劉海軍對科技日報講解道，「當然也有同一個人說了算的情況，但是這種情況的比例比較低。」
指揮「千軍萬馬」的「司令官」
有一個小傢伙引起了研究人員的特別注意。實驗發現，一條叫做ZmGRP1的基因可以調控高達一千多個下遊基因的可變剪接。陳秋月表示，由於此前已有研究發現，ZmGRP1在擬南芥中的同源蛋白AtGRP7和AtGRP8可以調控許多基因的可變剪接，由此她推測ZmGRP1也有相似的功能。
為證實這一設想，她利用CRISPR/Cas9基因編輯技術，敲除該基因編碼區，被破壞掉編碼區的ZmGRP1就無法正常表達。將經過此處理的植株和正常植株進行比對，發現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，調控著這些基因的可變剪接。
此外，根據此次QTL定位圖譜中的一些sQTL與eQTL共定位現象，科學家們推測，可變剪接變異可能直接影響表型變異，但具體的調控過程仍有待探索。
「在這方面我們的結果更重要地是提供了一個資源，可以讓玉米界其他研究具體性狀或者具體基因的同仁參考、借鑑。」劉海軍表示。可以展望的是，在今後的研究中，或可在不影響基因表達的情況下，人為改變其轉錄本構成，可以對玉米性狀進行更精細的調控。