劉雨亭

最近，中國農業(yè)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，并為研究表型變異提供了重要線索。相關論文近日發(fā)表在《植物細胞》雜志上。

可變剪接，這個早在20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(fā)現，可變剪接不僅豐富了蛋白質組多樣性，還在生物體內起著重要的調控作用。

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?！痹撜撐牡谝蛔髡摺⒅袊r業(yè)大學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一樣，剪哪里、剪幾刀、留下哪些繩段、以什么順序打結，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20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(fā)現，可變剪接在細胞內還起著重要的調控作用，同時隨著高通量測序技術及生物信息學的飛速發(fā)展，可變剪接的相關研究又“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，在植物學領域是一次創(chuàng)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范圍內，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錄水平，研究團隊采用自然群體，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(yè)大學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理?！?/p>

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，在成功收獲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?？蒲袌F隊還需將玉米粒在零下190℃液氮環(huán)境下磨碎，再進行RNA提取工作。

不同QTL，功能定位各負其責

該項研究發(fā)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后水平調控。

其中一類調控機制是小RNA介導的轉錄調控，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錄本，并和其他蛋白一起將其降解?！暗绻驗榭勺兗艚颖磉_出不含相應識別位點的轉錄本，則不會受此影響?！眲⒑＼娬f。

還有一類是無義介導的mRNA降解機制?！巴ㄟ^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?！眲⒑＼娊忉?。

除此之外，可變剪接也對小干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游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進行定位，發(fā)現sQTL（控制可變剪接變異的QTL）與eQTL（控制基因表達的QTL）共定位的情況占比很小。由此看來，基因表達總量的多少和其轉錄本組的比例構成，二者關系并不密切。

指揮“千軍萬馬”的“司令官”

實驗發(fā)現，一條叫ZmGRP1的基因可以調控高達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，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，由此可推測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(qū)，被破壞掉編碼區(qū)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(fā)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。

可以展望的是，在今后的研究中，可在不影響基因表達的情況下，人為改變其轉錄本構成，對玉米性狀進行更精細的調控。

（來源：《科技日報》）