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我室油菜团队在基因复等位遗传机制方面取得新进展

信息来源:     发布时间:2020-05-26

5月25日,我室油菜团队杨光圣和洪登峰教授课题组在The Plant Journal杂志发表题为“Molecular mechanisms underpinning the multiallelic inheritance of MS5 in Brassica napus”的研究论文,揭示了一个在油菜杂交种制种中被广泛应用的MS5基因调控的细胞核雄性不育系统的复等位遗传机制。

细胞核雄性不育是油菜杂种优势利用的重要途径之一,也是开展轮回选择的重要桥梁性状。其中,Yi3A类型的细胞核雄性不育系统因其育性受到同一基因座位的三个复等位基因MS5a(恢复基因),MS5b(不育基因)和MS5c(临保基因)控制,且三者之间具有MS5a > MS5b > MS5c的显隐性关系,可方便实现油菜的“三系化”制种。2016年,该课题组成功克隆了MS5位点的三个复等位基因,并和中科院遗传所程祝宽团队合作解析了不育系中减数分裂进程异常的细胞学机制(Xin et al., 2016. Plant Cell),但复等位遗传背后的分子机制却一直不为人所知。


图 MS5复等位遗传分子机理


MS5复等位遗传分子机理

本研究中,通过CRISPR/Cas9基因编辑证明恢复基因MS5a和临保基因MS5c都是油菜育性维持所必需的,基因缺失后表现出与不育系相同的减数分裂异常表型。MS5a和MS5c基因在恢复或保持MS5b不育方面功能出现分化的主要原因是它们编码区序列的差异,其次为启动子区的不同造成的表达量差异。雄性不育基因MS5b编码一个嵌合蛋白,包含完整的coiled coil(CC)结构域,但缺失了整个MS5 superfamily domain(MSD)。MS5a或MS5c蛋白可以通过CC结构域形成同源二聚体,MS5b则能通过残留的CC结构域与MS5正常功能蛋白竞争性结合,形成无功能的二聚体。由于MS5b和MS5c表达量几乎相同,在MS5bMS5c杂合材料中,无功能的异源二聚体占优势,从而使得油菜减数分裂异常,遗传上表现为MS5b对MS5c的显性负效应。而在MS5aMS5b杂合单株中,由于MS5a的高表达,大剂量MS5a蛋白的积累保证了减数分裂的正常进行。这一结果为遗传学上完全显隐性关系的复等位遗传现象提供了一个新的分子机制解释。同时,MS5复等位遗传分子机制的解析,也为MS5调控的雄性不育在油菜及芸薹属其他物种中的应用奠定了基础。


图2 MS5蛋白结构及生化功能


MS5蛋白结构及生化功能

据悉,该团队还与本室结构生物学技术平台的殷平教授合作,通过结构生物学方法解析了MS5蛋白中关键功能结构域MSD的晶体结构。近期该研究成果在FEBS letters杂志上以“Structural analysis of the meiosis-related protein MS5 reveals non‐canonical papain enhancement by cystatin-like folds”为题发表。进化分析显示,(MS5 family:Pfam, PF04776),除减数分裂相关的MS5基因外,目前尚未有该家族其他基因的功能报道。本研究发现MS5属于一个十字花科特异的基因家族,其核心结构域MSD呈现一种典型的类-cystatin(半胱氨酸蛋白酶抑制剂)结构,包括一个α螺旋围绕着4或5个反向平行的β折叠。但与半胱氨酸蛋白酶抑制剂功能不同的是,MSD可以通过对木瓜蛋白酶的变构激活,促进而不是抑制半胱氨酸蛋白酶的活性。该研究首次在植物中解析了MSD的结构并揭示了该家族蛋白保守的半胱氨酸蛋白酶促进活性。


 


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