生命系統(tǒng) (Living system) 所具有的穩(wěn)健性 (Robustness) 使其具有強(qiáng)大的生命力以應(yīng)對(duì)內(nèi)在的遺傳突變和外在的環(huán)境脅迫【1】。遺傳補(bǔ)償（genetic compensation）效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)生命系統(tǒng)穩(wěn)健性的重要途徑。它可以通過(guò)上調(diào)同源基因表達(dá)，啟動(dòng)“應(yīng)急預(yù)案”緩沖主效基因突變從而進(jìn)行功能補(bǔ)償。今年4月，Nature 背靠背在線發(fā)表了德國(guó)Stainier實(shí)驗(yàn)室和浙大實(shí)驗(yàn)室在斑馬魚(yú)系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)（請(qǐng)點(diǎn)擊查看：專家點(diǎn)評(píng)Nature背靠背 |浙大教授解釋基因敲除為何沒(méi)有表型），解析了遺傳補(bǔ)償效應(yīng)中調(diào)控同源基因表達(dá)的分子機(jī)制。遺傳補(bǔ)償效應(yīng)在生物系統(tǒng)中是保守并廣泛存在的，植物系統(tǒng)也發(fā)現(xiàn)了該效應(yīng)的存在【2】?；蛑貜?fù)（duplication）提供了這一效應(yīng)的物質(zhì)基礎(chǔ) 【3】?；蛑貜?fù)后，同源基因可產(chǎn)生一定的時(shí)空特異性分化表達(dá)，功能也可能進(jìn)化，產(chǎn)生新的表型【1】。

2019年4月15日，Nature Genetics 在線發(fā)表了美國(guó)冷泉港實(shí)驗(yàn)室 Zachary Lippman 教授研究組與合作者完成的題為Evolution of buffering in a genetic circuit controlling plant stem cell proliferation 的論文。該研究系統(tǒng)探索了在不同植物種屬中，控制植物干細(xì)胞增殖的小肽CLV3及其受體CLV1信號(hào)通路的遺傳補(bǔ)償效應(yīng)。Rodrigues-Leal博士和許操博士（現(xiàn)為中科院遺傳所研究員）為該論文的共同第一作者。

小肽CLV3和受體激酶CLV1以及促進(jìn)植物干細(xì)胞增值的轉(zhuǎn)錄因子WUS組成一個(gè)負(fù)反饋抑制通路，控制植物莖尖分生組織干細(xì)胞的增殖。CLV-WUS通路在植物中非常保守，在擬南芥、玉米、水稻和番茄中均被發(fā)現(xiàn)參與了干細(xì)胞增殖的調(diào)控，該信號(hào)通路一直是植物發(fā)育和作物馴化中最重要調(diào)控通路之一，其中小肽信號(hào)CLV3及其同源CLE家族成員眾多（圖1）。探索它們之間是否存在遺傳補(bǔ)償效應(yīng)并揭示其發(fā)生的分子機(jī)制對(duì)植物生物學(xué)和作物改良均具有重要意義。

圖1. 植物系統(tǒng)CLV通路基因的集群分析 

作者系統(tǒng)探索了信號(hào)分子CLV3系列同源基因，及受體CLV1系列基因在番茄、擬南芥和玉米的遺傳補(bǔ)償效應(yīng)。在番茄中（圖2），SlCLV3的沉默突變可以上調(diào)同源基因SlCLE9的表達(dá)，增幅可達(dá)40倍，顯示是一種主動(dòng)補(bǔ)償效應(yīng)。SlCLE9也主要通過(guò)SlCLV1受體對(duì)下游通路進(jìn)行調(diào)控。表型分析表明，SlCLE9表達(dá)的上調(diào)不能完全回復(fù)slclv3 的突變表型。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，這一功能差異是由于SlCLE9的序列差異，未能有效調(diào)控下游通路。受體方面，SlBAM基因未有對(duì)受體CLV1的補(bǔ)償效應(yīng)。

 圖2 番茄中clv3 突變體的主動(dòng)遺傳補(bǔ)償效應(yīng)

前期研究表明，擬南芥中受體clv1 突變可以被BAM（1-3）基因的表達(dá)上調(diào)而得以功能補(bǔ)償，對(duì)BAM1-3基因的表達(dá)來(lái)說(shuō)補(bǔ)償效應(yīng)是逐步疊加的【1】。本文作者分析了信號(hào)分子CLV3在擬南芥中是否有補(bǔ)償效應(yīng)。首先表型分析表明，受體四突變體clv1 bam1/2/3 的表型比clv3突變體顯著?；虮磉_(dá)分析顯示，clv3突變體中，CLV3自己的表達(dá)上調(diào)，卻沒(méi)有找到任何CLE基因表達(dá)明顯（2倍）上調(diào)，提示這可能是一種被動(dòng)補(bǔ)償效應(yīng)。通過(guò)組合突變，作者測(cè)試了11個(gè)功能CLE基因是否能進(jìn)行補(bǔ)償。在clv3 突變背景下，9個(gè)CLE基因的聯(lián)合突變能顯著提升表型。但是這個(gè)10基因聯(lián)合突變體的表型仍然比受體四突變體弱，提示可能有更多的CLE基因參與到這一被動(dòng)補(bǔ)償效應(yīng)中。

圖3 擬南芥中的CLE基因被動(dòng)遺傳補(bǔ)償效應(yīng)

本文作者分析的第三種植物是單子葉植物玉米。單子葉植物有兩個(gè)類CLV3基因，這一基因重復(fù)事件獨(dú)立于雙子葉植物SlCLV3和SlCLE9的產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)分析揭示ZmCLE7和ZmFCP1基因未見(jiàn)主動(dòng)補(bǔ)償效應(yīng)。

與動(dòng)物不一樣的是，在番茄和擬南芥中均能檢測(cè)到clv3 突變體中顯著上調(diào)自己位點(diǎn)的轉(zhuǎn)錄，沒(méi)有突變clv3 mRNA降解；而番茄中CLE基因主動(dòng)補(bǔ)償效應(yīng)的表觀遺傳調(diào)控原理也未知。進(jìn)一步深入探索植物系統(tǒng)中CLV通路遺傳補(bǔ)償效應(yīng)的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制，有助于我們對(duì)植物系統(tǒng)的改造。

參考文獻(xiàn)：

【1】Diss, G., Ascencio, D., DeLuna, A. & Landry, C. R. Molecular mechanisms of paralogous compensation and the robustness of cellular networks. J. Exp. Zool. B Mol. Dev. Evol. 322, 488–499 (2014).

【2】Nimchuk, Z. L., Zhou, Y., Tarr, P. T., Peterson, B. A. & Meyerowitz, E. M. Plant stem cell maintenance by transcriptional cross-regulation of related receptor kinases. Development 142, 1043–1049 (2015).

【3】Kafri, R., Bar-Even, A. & Pilpel, Y. Transcription control reprogramming in genetic backup circuits. Nat. Genet. 37, 295–299 (2005).

論文原文鏈接： 

https://www.nature.com/articles/s41588-019-0389-8

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