基因组中有一些不表达的基因,这些不需要的基因被储存在致密的染色质中。在植物中,编码花结构的基因可以在形成叶子的细胞中被关闭。

在《Nature Communications》杂志上发表的一项新研究中,宾夕法尼亚大学的生物学家发现了一种蛋白质,这种蛋白质能使植物细胞接触到这些原本不可接近的基因,以便在不同的身份之间进行转换。

这种被称为“先驱转录因子”的叶状蛋白在染色质束的特定部分站稳脚跟,使结构松散,并招募其他蛋白质,最终使基因首先被转录成RNA,然后被翻译成蛋白质。

“不需要的程序被各种染色质修饰有效地关闭,问题是,如何从封闭走向开放?我们发现LEAFY,这个我们已经知道的在重新编程植物细胞中很重要的蛋白质,是这些先驱转录因子中的一个,可以改变细胞的程序,”文章通讯作者、文理学院的生物学家Doris Wagner说。

宾夕法尼亚大学教员Kenneth Zaret对先驱转录因子进行了研究,他自己的研究已经检测了动物体内的这些调节蛋白,例如肝脏发育的情况。Wagner进入宾大不久听到Zaret谈论了他在这一领域的工作,并对在植物中寻找类似的因子感到好奇,因为灵活的基因表达对植物的生存至关重要。

事实上,植物必须一直在表达整套不同的基因之间进行转换。在肥沃的土壤中,它们可能会长出更多的树枝来变大,而在干旱时,它们可能会表达更多与花发育相关的基因,这样它们就可以在屈服之前播种繁殖。

植物细胞如何决定自己的身份和命运,是Wagner自职业生涯开始以来的工作重点,LEAFY也是如此。在她做博士后的日子里,Wagner证明了LEAFY可以对根细胞进行重新编程以产生花朵。“这给了我们一个很好的线索,LEAFY可能有这种"先锋"活动,但我们必须更仔细地研究,以证明这一点,”她说。

为了做到这一点,Wagner和他的同事首先利用分离的蛋白质和遗传物质链来证明,LEAFY(而不是其他转录因子)与核小体结合。具体来说,这种结合发生在基因Ap1上,已知该基因被LEAFY激活,促使植物开花。

为了证实这种联系在活的有机体中是真实的,研究人员取了植物的根,并应用一种化合物使它们自发开花。开花时,他们发现LEAFY不仅与Ap1结合强烈,而且结合位点也被组蛋白占据。Wagner说:“这告诉我们,组蛋白和LEAFY确实占据了DNA的同一部分。”

此外,他们还表明,当LEAFY被激活时,Ap1区域的染色质结构开始开放,这是先驱转录因子作用的一个关键方面。这个开口是有限的,染色质完全松动需要几天的时间。研究人员发现,很快发生的事情是,LEAFY取代了一个组蛋白,形成了一个小的局部开口,也允许其他转录因子进入DNA。

虽然植物具有先锋转录因子,新的工作提供了第一个具体的支持这一概念的LEAFY。Wagner相信还有其他。“如果必要的话,植物可以改变它们的整个身体结构,或者从一小块叶子上长出一整株植物我们预测启动这一过程将需要先驱转录因子。因此,植物可能比动物有更多的这些因素。”

在即将开展的研究中,她和她的团队希望能更深入地研究LEAFY这种“开创性”活动之前和之后的过程:是否有什么限制了它的活动,以及它招募的其他因素如何完全解开隐藏的基因。

这一发现对农业和育种具有重要意义,例如,在农业和育种中,LEAFY已经被用来鼓励提早开花。随着人们对植物中先锋转录因子的了解越来越多,Wagner可以设想对植物生长和活性的其他方面进行微调,这可以通过调节植物生长和活性来实现。

原文检索:LEAFY is a pioneer transcription factor and licenses cell reprogramming to floral fate

(生物通:伍松)