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玉米团队发现转座子调控基因表达新机制
来源: 时间:2023-01-15

(来源:南湖新闻网)近日,国际期刊Nucleic Acids Research在线发表了作物遗传改良全国重点实验室题为“A novel active transposon creates allelic variation through altered translation rate to influence protein abundance”的研究论文。该研究发现了一个新的活跃转座子,该转座子插入外显子,产生上游开放阅读框(upstream reading frame, uORF),降低蛋白翻译效率和蛋白丰度,进而影响玉米籽粒产量。

转座子也称“跳跃基因”,是一种特殊的DNA序列,可以从基因组一个位置跳跃到另一个位置。20世纪40-50年代,Barbara McClintock女士以玉米为材料,首次在玉米中发现了转座子。她将发现的转座子命名为Ac和Ds,二者构成了Ac-Ds控制体系,其中,Ac是自主型转座子,可以自发跳跃,Ds是非自主型转座子,只有在Ac存在时,才能发生跳跃。起初,转座子理论一直未受重视,但随着其他科学家在细菌等其它多个物种中相继发现了类似现象,McClintock的发现才逐步被人们认可,并最终于1983年获得诺贝尔生理医学奖。

随着研究的深入,人们发现转座子是驱动基因组进化和表型多样性的重要动力。目前,人们发现转座子以多种机制调控基因表达和表型变异,包括插入编码区导致蛋白质结构变异,通过DNA甲基化或者提供新的启动子、增强子等调控元件改变基因表达水平,产生小干扰RNA抑制蛋白翻译等。那么,转座子是否能以其它新机制调控基因表达呢?

本研究中,作者在玉米自交系B73后代材料中发现了一个活跃的转座子,将其命名为BTA(B73 active TE hAT)。BTA插入到编码糖转运蛋白的基因ZmSWEET4c第一个外显子中,形成了一个新的具有剂量效应的亚等位基因,并导致玉米籽粒大小改变。BTA插入不影响基因转录、剪切、亚细胞定位等,但是通过产生uORF及其自身的二级结构抑制了ZmSWEET4c的翻译效率,降低了蛋白质丰度。除此之外,BTA插入其它基因中也会产生相似的效应。通过转座子捕捉技术,在BTA活跃的后代材料中鉴定到79个新的插入事件,其中包括BTA和BTA-like转座子。新的插入位点具有典型的常染色质特征,包括低水平的DNA甲基化和高水平的H3K27ac。研究还鉴定到BTA及BTA-like转座子对应的自主转座酶,它具有完整的ORF,能够转录和翻译,编码的蛋白质具有典型的自主转座酶功能结构域。

图:转座子调控蛋白质翻译和玉米粒型。

图:转座子调控蛋白质翻译和玉米粒型。

综上,本研究鉴定了玉米和水稻上趋同选择基因ZmSWEET4c的一个有功能且具有剂量效应的亚等位基因。鉴定了一类新的转座子,发现转座子可形成uORF,并通过调控蛋白质翻译效率调控基因表达和表型。本研究为基于转座子驱动的作物改良提供了新的途径,通过对转座子进行编辑,可调控蛋白丰度,创制优良等位基因,实现重要农艺性状的改良。

论文链接:https://doi.org/10.1093/nar/gkac1195

南湖新闻网链接:http://news.hzau.edu.cn/2023/0114/65522.shtml