《自然通讯》：一个基因开关，许多可能的结果

宾夕法尼亚大学艺术与科学学院的Aman husband发现了转录因子（基因的基因开关）调控植物发育的惊人方式。他们的发现揭示了脂质结合区域START结构域的细微变化如何极大地改变基因调控，为作物工程、合成生物学和精确基因治疗的进步铺平了道路。

　　

在所有复杂的多细胞生命系统（如植物和人类）中，都存在一组基因元素，可以将其比作建筑工地上用于扩大发展的蓝图、工具和专业人员。宾夕法尼亚大学的Aman Husbands等植物生物学家研究了一个被称为HD-ZIPIII转录因子（tf）的熟练分包商家族。这些分包商的任务是决定遵循哪种蓝图或基因，以指导植物的形状和特征的发展，比如它的管道——类似于脉管系统——和结构成分，如根和叶的形状。

然而，尽管共享重叠的蓝图和使用相同的工具，每个HD-ZIPIII家族成员，如CORONA （CNA）和PHABULOSA (PHB)，都有一个独特的方式来解释这些蓝图和使用他们的工具。这些差异在它们帮助创建的结构中导致了不同的、可衡量的结果。

“现在，最重要的问题是，你是如何得到这些功能上不同的结果的？’”

在《自然通讯》上发表的一篇论文中，夫斯夫和他的团队专注于两个几乎相同的类似物，PHB和CNA，以揭示这种差异背后的机制。

“我们发现，虽然这两种转录因子与DNA的相同区域结合，但它们调节不同的基因，导致独特的发育结果，”Husbands说。“这一令人惊讶的发现指出了转录因子的一个小而关键的特征：它们的START结构域，”这是tf中的一个脂质结合区域，研究人员将其比作工头的决策工具，决定了蓝图如何在每个位点上执行。

通过交换PHB和CNA的START结构域，研究人员证明了这种单一的改变可以改变它们的功能，有效地重写发育指令。

第一作者，Husbands实验室博士后研究员阿什顿·霍鲁伯说：“这不仅对这个领域的其他植物生物学家和研究人员意义重大。”“在合成生物学或基因治疗中，具有脱靶效应的转录因子可能会导致一些意想不到的后果，因此，通过理解并能够操纵START结构域等机制，我们有朝一日可以微调遗传工具，以最大限度地降低风险并实现精确的结果。”

CNA和PHB在哪里工作

研究人员最初通过qPCR探索了CNA和PHB之间的功能差异，qPCR是一种用于测量RNA分子丰度和基因表达水平的定量技术。最初，他们根据团队之前的研究和基于其他文献的关于tf的假设，专注于检查两个基因组靶点，他们期望CNA和PHB能够调节。

然而，Holub说，qPCR结果揭示了一个意想不到的发现。虽然一种基于位置的测试（ChIP-qPCR）发现CNA和PHB结合到相同的目标位点，但另一种检测结合活性影响的测试（RT-qPCR）显示它们并不总是产生调节作用。“我们在这些位点上看到了结合，但基因表达没有变化，”他说，“这真的迫使我们思考得更广泛，探索整个基因组，而不仅仅是几个位点。”

为了解决这一矛盾，他们转向ChIP-seq系统地绘制了整个基因组中CNA和PHB的所有结合位点，从而使研究人员能够看到tf结合的更广阔的图景。为了补充这一点，他们使用RNA-seq（转录组分析）来测量全基因组范围内基因表达的变化。这种技术的结合使研究小组不仅可以确定CNA和PHB结合的位置，还可以确定哪些基因被激活或被抑制。

Holub说：“qPCR向我们展示了异常，ChIP-seq和RNA-seq给了我们完整的故事。”

START领域：关键的决策者

研究结果向研究人员指出了CNA和PHB的一个关键特征：它们的START结构域，这是蛋白质的脂质结合部分，赋予它们一定的转录能力。

“关于这些tf的一个有趣的事情是，它们有这个START结构域，你也可以在生命之树的其他蛋白质中看到，这些领域对发育、压力反应甚至疾病都很重要。当我们在这些tf中看到它们时，我们假设它们是CORONA和PHB功能不同的原因。”

为了验证这一假设，研究人员通过交换来自PHB的START结构域，甚至来自数亿年进化分离的物种的START结构域，产生了嵌合的CNA蛋白。“我们的实验证实，START区域是关键的决定因素，改变的不是这些tf的绑定位置；这是它们如何调节它们绑定的基因。”

通过删除、突变和交换START结构域，研究人员证明了这个小区域起到了决策工具的作用，决定了基因是被激活还是被抑制。即使START结构域的微小变化也会产生显著影响，说明该机制如何促进基因调控的多样性。

在注意到START结构域如何使一组结合位点产生广泛的发育指令时，Husbands把我们熟悉的拉丁短语“合众为一”（from many, one）颠倒过来，说：“合众为一”。在一个有限的网络中，你可以得到各种各样的监管计划。”

Husbands和他的团队现在正在探索这种机制在其他转录因子家族中是如何运作的，以及在本研究使用的模型之外的物种——拟南芥中是如何运作的。

“我们正在测试这种差异调节是否在整个进化过程中具有普遍性，”Holub说。“如果它发生在植物身上，我们有充分的理由相信它也可能发生在动物身上。”

该团队希望了解START结构域如何与其他细胞成分相互作用以影响基因调控的细节。“还有很多我们不知道的，没有START结构域的转录因子呢？是否有平行机制在起作用？这些区域是如何感知和响应环境的？”