Salk研究所的科學(xué)家們開發(fā)出了一項(xiàng)新技術(shù)用于快速繪制調(diào)控蛋白靶向DNA區(qū)域的圖譜，這一技術(shù)可以讓科學(xué)家們認(rèn)識是什么使得某些植物具備耐旱或抗病等性狀。

揭示DNA上稱作為“順反組”（cistrome）的蛋白質(zhì)結(jié)合區(qū)域的景觀圖，闡明了植物控制基因何時何地表達(dá)的機(jī)制。以往繪制植物細(xì)胞中順反組的一些方法非常困難且緩慢。詳細(xì)描繪在5月19日《細(xì)胞》（Cell）雜志上的這種新方法克服了這些障礙，全面地認(rèn)識了遺傳調(diào)控這一至關(guān)重要的方面。

論文的資深作者、Salk研究所基因組分析實(shí)驗(yàn)室主任Joseph Ecker說：“這是第一次全面地確定了一個植物基因組中所有調(diào)控元件的特征。順反組一直是人們試圖了解植物機(jī)能缺失的一塊信息。”

植物和動物細(xì)胞中的許多信息都包含在指導(dǎo)生成蛋白質(zhì)的“編碼”DNA片段中。但研究人員日益認(rèn)識到，基因組中其他區(qū)域具有的一些元件控制了細(xì)胞何時及如何生成這些蛋白。這些“非編碼”DNA片段就是轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合來控制鄰近編碼基因激活的位點(diǎn)。

論文的共同第一作者、Salk研究所助理研究員Shao-shan Carol Huang說：“許多人類和動物模型研究表明，非編碼改變對于認(rèn)識遺傳病癥和癌癥一類的疾病非常重要。能夠闡明這些非編碼區(qū)域在植物中的功能同樣重要。”

在過去，科學(xué)家們可以一次確定一個或兩個轉(zhuǎn)錄因子在何處附著到植物基因組上，但這些實(shí)驗(yàn)非常緩慢。Ecker和同事們想完全繪制出數(shù)百或甚至數(shù)千已知轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位置圖譜，因此他們需要一種更快速的方法來繪制這些位點(diǎn)。

為了獲得這一順反組圖譜，研究人員構(gòu)建出了一個系統(tǒng)，在這一系統(tǒng)中他們可以將一個標(biāo)記的轉(zhuǎn)錄因子添加到DNA文庫中，讓它結(jié)合DNA，隨后再分離出所有配對DNA-蛋白。這種叫做DNA親和純化測序(DAP-seq)的方法，大大擴(kuò)展了科學(xué)家們收集到的關(guān)于轉(zhuǎn)錄因子及它們結(jié)合位點(diǎn)的信息。

論文的共同第一作者、Ecker實(shí)驗(yàn)室研究員Ronan OMalley說：“我們的系統(tǒng)廉價(jià)且可擴(kuò)展。它使得我們能夠捕獲全部的轉(zhuǎn)錄結(jié)合位點(diǎn)，因此我們獲得了完整的密碼本。并且，它不要求大多數(shù)植物實(shí)驗(yàn)室無法利用的復(fù)雜或?qū)ｉT的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。”

為了檢驗(yàn)DAP-seq的功用，Ecker、Huang、OMalley和同事們繪制出了529種轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合擬南芥基因組的位點(diǎn)。他們鑒別出了270萬個結(jié)合位點(diǎn)。隨后他們采用包含或不包含胞嘧啶甲基化的DNA重復(fù)了這些實(shí)驗(yàn)，胞嘧啶甲基化指的是用化學(xué)甲基標(biāo)簽來標(biāo)記基因組表面進(jìn)一步抑制或激活基因的一個過程。他們測試的大約四分之三的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合模式發(fā)生了改變。

OMalley說：“這使得我們能夠揭示出如果不除去甲基化我們或許會漏掉的結(jié)合位點(diǎn)。采用這種方法我們可以看到只在一部分細(xì)胞或組織中活化的結(jié)合位點(diǎn)。新研究不僅闡明了調(diào)控蛋白改變基因表達(dá)的機(jī)制，還揭示了表觀遺傳甲基化標(biāo)記在這種調(diào)控中所起的作用。”

在發(fā)表于2016年5月《Nature Plants》雜志上的第二篇研究論文中，Ecker與杜克大學(xué)和西澳大利亞大學(xué)的合作小組揭示出，擬南芥根部不同類型的細(xì)胞具有不同的甲基化模式。利用DAP-seq，他們現(xiàn)在研究了根細(xì)胞中這些模式影響轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的機(jī)制。此外，他們還想研究不同轉(zhuǎn)錄因子彼此互作的機(jī)制，并嘗試將這種方法用于其他的植物物種和人類細(xì)胞。

Ecker 說：“這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于可用于所有的植物，其中許多植物都沒有在擬南芥中可使用的工具。這為我們提供了一扇窗口，了解調(diào)控序列中的遺傳或表觀遺傳變異影響它們性狀的機(jī)制。”

Ecker是國際植物分子生物學(xué)和植物基因組學(xué)研究領(lǐng)域的著名學(xué)者。2008年，借助高通量測序技術(shù)Ecker帶領(lǐng)Salk生物研究所的研究人員描繪出了模式植物擬南芥基因組中的個體DNA修飾，并且弄清了對擬南芥26000個基因中每個基因活性的影響。研究的結(jié)果發(fā)表在Cell雜志上。

2009年，Ecker領(lǐng)導(dǎo)Salk研究所基因組分析實(shí)驗(yàn)室，Ludwig研究所癌癥研究中心，加州大學(xué)圣地亞哥分校等處的研究人員繪制了首張人類表觀遺傳學(xué)基因組圖譜，相關(guān)成果文章H發(fā)布在Nature上。

2015年，Ecker研究小組構(gòu)建出了來自個體捐贈者（包括女人、男人和孩子）十多種不同人類器官最全面的表觀基因組圖譜。研究數(shù)據(jù)發(fā)表在Nature雜志上。