基因组研究的进展揭示了数千个大豆基因的替代转录起始位点

罗莎琳德·富兰克林、詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克在70多年前发现了DNA的结构——生命的分子蓝图。今天，科学家们仍在探索解读它的新方法。

2010年，农学教授Jianxin Ma和他的合作者在被广泛研究的Williams 82品种上建立了第一个大豆参考基因组。自那以后，成千上万的科学家和植物育种家在他们自己的研究中使用了该基因组，研究各种特征的基因组成，如大豆的种子蛋白质和油脂含量、植物结构和生产力、抗病性和非生物抗逆性。

在过去的十年里，Ma是印第安纳大豆联盟公司的负责人。由于他对大豆基因组的贡献以及他在该领域的持续研究和创新，他在国际上得到了认可。他最近的工作发表在《植物细胞》上，利用基因组研究的进步填补了原始大豆参考基因组的空白。

“当我们公布参考基因组时，它就像一本字典，”Ma说。“每个基因就像一个单词。然而，有一个关键的信息缺失：单个基因的转录起始位点。”

转录起始位点是DNA中一个特殊的转录因子蛋白可以附着的位置，然后在它前面建立一个基因的mRNA拷贝。这些mRNA在细胞的核糖体上被读取和翻译，以产生更多的蛋白质，这对每个生物体的化学和物理功能都很重要。

了解mRNA在DNA链上开始形成的位置是理解基因如何表达的一个重要部分。这些起始位点包含调控元件，并向细胞提供有关何时何地转录每个基因以制造蛋白质的信息，以及在任何时间点进行转录的频率。

在遗传学中，人们普遍认为每个基因都有一个转录起始位点，位于核心启动子区域的下游，通常位于TATA盒附近，TATA盒是一个富含胸腺嘧啶和腺嘌呤重复序列的DNA序列。但Ma和他的同事们不再认为情况如此。

Ma说：“大豆中有超过5万个基因的转录起始位点，但根据我们的新研究，这些预测的转录起始位点实际上只有不到3%是正确的。”

2020年，启动子元件转录起始序列调查（STRIPE-seq）技术的发展为Ma的实验室提供了一种有效、高效、更快、更经济的方法来鉴定整个大豆基因组的转录起始位点。它还提供了关于每个mRNA拷贝的相对丰度的信息，这为一个基因在不同组织和时间的表达量提供了线索。

在美国农业部国家食品与农业研究所（USDA-NIFA）和美国国家科学基金会的资助下，马和他的实验室对大豆的八种不同组织进行了条带序列分析：叶、茎、茎尖、根、根瘤、花、豆荚和发育中的种子。尽管植物的DNA在这些组织中是一致的，但基因的表达却不同。

在他们最近的论文中，马氏实验室确定了大豆中大约4万个基因的转录起始位点。他们在TATA盒区和其他被认为是启动子的序列之外发现了广泛存在的替代转录起始位点。一些新发现的位点实际上出现在成为mRNA的基因的编码序列中。因此，转录因子蛋白可以结合到基因的几个不同部分并开始制造mRNA，每个拷贝都不同于从其他位置开始的拷贝。每个替代的转录位点都有可能从同一基因中产生不同的蛋白质。

研究小组在根瘤中发现了一个特殊的转录起始位点子集，根瘤是豆科植物根部的一种结构，是植物和根瘤菌之间相互作用的场所。这些生活在土壤中的微生物为豆类等特殊植物固定氮，以换取糖和保护。这种共生关系在不使用氮肥的情况下增加了植物在缺氮土壤中的存活率。

“我们在根瘤中发现了这些特殊的转录起始位点，但在根瘤或任何其他组织中都没有发现，这表明它们是组织特异性转录，与根瘤特异性功能有关。”

为了使DNA适应细胞核，它缠绕在组蛋白周围，形成一种叫做“染色质”的结构。根据放置在这些组蛋白上的化学标记，染色质可以紧密缠绕——防止转录因子结合——或者松散缠绕，使其易于产生mRNA拷贝。Ma认为，这些“表观遗传”变化与基因表达中的替代转录起始位点密切相关。不同的转录起始位点可以随着基因的收紧或放松而变得可用，并且可能产生不同的蛋白质。

“我们已经发现近7000个基因在编码序列中具有替代转录起始。这些替代的转录起始位点往往是组织特异性的，并且与组蛋白修饰有关。

在进化上，这些替代位点可能对大豆和其他植物有益，因为它们允许在有限的基因组下增加复杂性和适应性。大豆在其历史上经历了两次全基因组复制事件，都发生在数百万年前。尽管一些复制的基因已经丢失，马认为复制事件可能导致了转录位点的改变或替代。

“在复制之后，大多数基因仍然是成对的；然而，它们表现出不同的表达模式，许多在功能上分化以调节不同的性状。它们开始从不同的位点转录，这可能导致它们的功能分化。”

目前，Ma正在与美国农业部农业研究服务中心的科学家雷克斯·纳尔逊和杰奎琳·坎贝尔合作，让其他人可以访问这些研究数据，就像他对原始参考基因组所做的那样。该组织正在将这些数据添加到大豆研究的在线协作数据库SoyBase中。

SoyBase的负责人Nelson解释说：“即使有一个潜在的转录起始位点，也将有助于分析大豆基因启动子区域。这可能会揭示与启动子相互作用并诱导转录的蛋白质。”

该数据库的联合管理员Campbell补充说：“识别结合启动子区域的转录因子将使研究人员能够识别涉及农学重要表型中基因复杂调控的基因调控相互作用网络。”

“该数据库是基础研究和应用研究的重要资源。”“通过在那里提供我们的数据，我们催化了进一步研究，以了解基因功能、调节机制、基因网络和与感兴趣的特定性状相关的遗传变异。随着我们更好地了解这些替代转录位点如何影响特定性状，我们希望看到这能带来更好的大豆品种。”