1 植物多倍化过程中的表观遗传现象

1 植物多倍化过程中的表观遗传现象

表观遗传变异是指基因表达改变但不涉及DNA 序列的变化。也就是在整个生命过程中,表观遗传变异能在不改变DNA 序列的情况下,在碱基序列外的各种修饰和与之相关的各种蛋白质或RNA 的协同作用下,调控基因的表达,以完成生命周期或适应环境变化,而且这种变化还能在代与代之间传递。就目前的研究来看,表观遗传现象主要包括基因沉默、DNA 甲基化、核仁显性、转座因子激活和基因组印记等多个方面。

(1) 基因沉默

基因沉默是指基因组中的基因由于受遗传或表观遗传因素的影响表达降低或完全不表达的现象。1990 年Napoli 等在研究转查尔酮合成酶(chalconesyntha se ,CHS) 基因chs 的矮牵牛植株中发现,由于外源的chs 基因不能表达,内源的chs 基因表达也发生了沉默。自从植物中发现了基因沉默以来,陆续在线虫、真菌、昆虫、原生动物以及小鼠中也发现了基因沉默的现象。目前的研究认为基因沉默可分为两类: 一是由于外源基因插入基因座两侧的DNA 或插入特定的染色质部位对插入的基因起到抑制的位置效应(po sition effect) ;二是由于多拷贝的外源基因存在于同一染色体中而诱发的表观遗传现象,由于是同源或互补的序列所诱导,也称为同源依赖的基因沉默( homology dependent gene silencing ,HDGS) 。Comai 严格地将由表观遗传因素引发无效等位基因(null allele) 的过程称为基因沉默,认为这主要是多倍体基因组中基因表达调控方式改变的结果,不涉及DNA 序列的变化;而将由于突变导致基因失去表达活性的现象称为基因失活(gene inactivation) ,认为这是假基因化的过程。Galili 等通过研究普通小麦(AABBDD) 不同倍性植株胚乳中所包含的蛋白种类,发现D 基因组对A 或B(或A 和B) 基因组某些基因的表达具有抑制作用,D 基因组的存在会使这些基因的表达水平降低或完全不表达,表现基因沉默的现象。大量的研究表明,环境因子、发育因子、DNA 修饰、组蛋白乙酰化程度、基因拷贝数、生物的保护性限制修饰以及基因的过度转录等都与基因沉默有关。

(2) DNA 甲基化

DNA 甲基化(DNA methylation) 是活体细胞中最常见的一种DNA 共价修饰形式,它通常发生在基因5′端的5′Cp G3′(偶尔为5′CpNp G3′) 的胞嘧啶碱基上。一般情况下,胞嘧啶甲基化的频率在人类及高等植物中分别可达4 %和36 %。甲基化修饰在基因表达、植物细胞分化以及系统发育中起着重要的调节作用。

在植物中,基因组DNA 甲基化主要限于转座因子和其他的重复序列,基因甲基化模式的改变可以影响植物的花期、育性、花及叶片的形态等。小麦远缘杂种F1 基因组中存在着与亲本不同模式的胞嘧啶甲基化,而不同模式DNA 甲基化的频率可达13 %;在小麦-黑麦杂种、拟南芥属Arabidopsis 异源多倍体中也观察到与此相同的现象。Cao 等报道在植物Arabidop sis thaliana 中,DRM(Domains Rearranged Methyla se ) 和CMT3 ( Chromomethylase3) 甲基转移酶基因的共同作用控制着非对称的特异基因座和CpNp G的甲基化。李旭刚等在利用农杆菌介导将β-葡萄醛酸酶(uidA) 基因导入烟草时,发现部分外源uidA 基因转录失活,这可能是由于启动子区域甲基化而引起。已有的研究表明,植物多倍体甲基化模式改变涉及的序列有低拷贝序列、重复序列(如反转座子) 、启动子、rRNA 基因、转录因子、抗病基因、代谢相关基因及细胞周期调控基因等。

(2)蛋白编码基因的快速沉默

表观遗传修饰和核仁显性的早期研究认为:在植物杂交及异源多倍化时,核糖体基因的高度重复可能诱发了蛋白编码基因的表观遗传变化- 快速沉默。这种猜测在几种模式植物中已被证实。Comai 及他的同事们在利用Arabidop sis thaliana (2n = 2x = 26) 和C. areno sa (2n = 4x = 32) 合成人工异源多倍体的两项研究显示,异源四倍体的形成引发部分转录子发生表观遗传式的快速基因沉默,包括具有不同生物学功能的不同种类的基因。现在看来至少有些沉默事

件与胞嘧啶甲基化特定状态的改变有一定联系,也可能与染色质结构的改变有关。

拟南芥属Arabidop sis 多倍化过程中可导致014 %的亲本基因沉默,这些基因包括重复序列、转座子类似基因及转录因子编码基因等;在新合成的小麦异源多倍体中,沉默基因涉及蛋白质编码基因、表达序列标签、反转座子、自主复制序列间的开放阅读框(ORFS) 、与细胞器基因序列相似的基因等。在不同倍性的玉米中(1x ,2x ,3x ,4x) ,观察到有的基因的表达水平与倍性之间呈现出明显的剂量补偿特征。由特定双链RNA ( dsRNA) 引起的转录后基因沉默- RNA 干涉在植物中的研究正逐步深入,且在实践中有着极大的应用价值。

(4)核仁显性

植物多倍体化过程中的另一个突出的表观遗传现象就是核仁显性。种间杂种和(或) 新合成的异源多倍体中,源于一个亲本的核仁组织区(NOR) 形成核仁而另一亲本的NOR 无活性,这一现象称为核仁显性(nucleolar dominance ) 。Chen 等报道在芸薹属Brassica 异源多倍体植物的营养器官中通常只有一个亲本的rRNA 基因具有活性,另一个亲本的rRNA 基因被抑制; 但在花器官中, 被抑制的rRNA 基因却能正常表达。可见这是在不同发育阶段特殊的调控机制而引发的表观遗传性基因沉默。Chen 等的研究还显示,在自然发生的异源四倍体Arabidop sis suecica 中, 其亲本之一的Arabidopsis thaliana 的rRNA 基因处于沉默状态,只有另一个亲本Cardaminop sis areno sa 的rRNA 基因正常表达;而在人工合成的杂种四倍体中,有些F1 个体双亲的rRNA 基因表现共显性,另一些个体只有C. areno sa 的rRNA 基因正常表达;在F2 个体中,A. thaliana 的rRNA 基因完全沉默,只有C. arenosa 的rRNA 基因正常表达;但当多倍体基因组中不同基因组成分的比例发生改变,即从A ∶C = 1 ∶1(AACC) 变到A ∶C = 3 ∶1 (AAAC) 时,这种显性关系可以发生逆转。显然A. suecica 所表现出来的现象是由“核仁显性”引起的。

(5)转座因子激活

植物在正常的发育过程中,转座因子及其他重复序列因甲基化而处于不活跃状态。但是在植物多倍体化的过程中,转座因子的作用却是不可忽视的。小麦族远缘杂交及多倍化可激活反转座子、蛋白质编码序列及一些未知功能的序列。转座因子能通过干扰宿主基因与其调控元件之间的关系或改变DNA 的结构而影响基因的表达,结果诱发表观遗传性基因沉默,目前在豌豆PisumrbcS 基因、玉米R-S 基因和Antirrhinum Chs基因中都已观察到这种现象。McClintock 曾经指出,转座因子的差异是决定基因组不相容性的一个重要因素,也是导致产生“基因组冲击”(genomicshock) 的一个重要原因;在植物和真菌基因组中,常常通过DNA 甲基化全方位调节转座因子的移动,并在多数情况下使之处于抑制状态,但当基因组遭受“冲击”时,这些转座因子就可能从抑制状态中释放出来,启动它们移动的过程。Wendel 认为,多倍化就代表了“基因组冲击”的一种形式,其结果是削弱了基因组抑制系统的作用,增强了转座因子的活性,而转座因子的活动不仅会改变基因组中某些基因的结构和表达式样,同时也有可能改变基因组中DNA 甲基化的水平和表观遗传修饰式样,改变多倍体基因组中不同基因组成分间的相互关系,从而对整个基因组中基因的表达以及多倍体的表型产生影响

(6)基因组印记

科学家们经过近半个世纪的观察研究发现,父方或母方的某等位基因,在子代的表达不同,而具有不对称性,成为印记,且具有持久的传代能力。这就是在被子植物、哺乳动物和原生动物中发现的亲本印记效应。像这种依赖于亲本起源的特殊等位基因表达不对称的现象称为基因印记,相应的基因组称之为基因组印记( Genomic imprinting) , 产生印记效应的基因称为印记基因(imprinting gene s) 。这种表观遗传变化与胞嘧啶甲基化或染色质介导的表观遗传基因沉默有非常紧密的联系,同时基因组印记基因常成簇存在。

1970 年, Kermicl 等首次报道了由单个基因的印记效应而引发的基因沉默,在玉米胚乳发育过程中等位基因R-r 在表达时表现出与亲本明显的差异;当母方的印记效应表达时糊粉层显