遗传发育所王冰述评：植物基因调控网络景观解析，助力植物基因工程新突破

原创 Cell Press CellPress细胞科学 

生命科学

Life science

作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

2023年第二十一期（总第149期）专栏文章，由中国科学院遗传与发育生物学研究所青年研究员、中国科学院青年创新促进会会员王冰，就Cell Systems中的论文发表述评。

长按图片扫描二维码阅读论文

植物是复杂的生物系统，其基因表达依赖于由转录因子（TFs）组成的复杂调控网络。转录因子作为调控基因转录的关键蛋白质，在植物的生长发育、逆境响应和代谢调控中起着重要作用。转录因子通常由两部分功能域组成：DNA结合结构域（DBDs）和转录效应结构域（TEDs），前者负责特异性结合顺式调控元件，后者负责调节转录。近年来，人们对全基因组水平上转录因子的结合位点有了广泛的研究，而对TEDs的功能研究却相对滞后。基因调控网络（GRNs）的功能动态研究是系统生物学的一个重要方面，然而，由于目前还缺乏对转录因子调节作用的系统研究，基因调控网络在很大程度上仅基于转录因子结合位点和RNA-seq的共表达信息来构建。因此，将TEDs功能信息整合到基因调控网络中，能够更加全面地认识基因调控网络，也能帮助人们更好地理解复杂生物系统的内部结构和运转方式。

为深入理解植物基因网络中的转录调控机制，来自美国加利福尼亚大学伯克利分校的Patrick M. Shih教授团队系统地检测了拟南芥中403个转录因子的TEDs活性，为植物TEDs的潜在生化特性提供了独特的见解，增强了人们对复杂生物系统转录调控的认识。该文章于6月21日发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Systems上。

研究人员首先对拟南芥中转录因子的转录效应结构域（TEDs）进行了详细分析。通过将403个TEDs与酵母Gal4-DNA结合域（DBD）融合，研究团队成功构建了一系列合成转录因子，即Gal4-TED融合蛋白。研究发现，在这些Gal4-TED融合蛋白中，有166个具有激活活性，53个具有抑制活性（图1）。

▲图1 数百个植物转录效应结构域（TEDs）在基因组尺度上的表征

（A）将截短的假定TEDs与酵母Gal4-DBD融合以获得合成转录因子文库。（B）本氏烟草叶片中403个合成转录因子的标准化GFP表达与背景报告基因表达的关系。箭头指示强激活子Gal4-VP16的位置。（C）根据转录因子家族进行分组的标准化GFP表达，单个数据点代表了本研究中的单个TED。

通过与拟南芥中已有研究进行比较，研究人员验证了本研究方法的可靠性。以氮响应基因调控网络为例，首次构建了一个含有TF-DNA 结合、RNA-seq 和TED活性数据的GRN，系统性揭示了转录因子在拟南芥基因表达调控中的功能动态性（图2），并验证了在烟草异源系统中所得TED活性同样适用于拟南芥本身，这些发现为人们对GRN的认识迈出了重要一步。

▲图2 拟南芥氮响应过程中基于顺式和反式调控元件构建的基因转录调控网络

GRN描述了转录因子和各自的靶基因，显示了响应拟南芥硝酸盐的RNA丰度的变化。带有彩色边缘的空心节点是本研究中具有反式调节活性的转录因子。目标基因是具有黑色边界的白色小节点。边缘代表基于实验验证的TFs与靶基因的DNA结合，用TEDs活性数据（边缘颜色）和预测的TF对其靶基因的影响（边缘宽度）进行注释。绿色节点表示核心氮代谢基因。

TED活性的研究对于合成生物学具有重要的应用价值，可以扩展植物中合成生物学和基因工程工具的模块化。例如，本研究将花青素合成关键基因PAP1与具有激活活性的TEDs融合，能够增强花青素的合成（图3A-C）。此外，研究人员还利用失活的dCas9和特异gRNA的引导，调控靶基因的表达（图3D、E）。这些结果表明，利用TED活性可以更精确地控制基因表达，扩展了天然基因转录谱的动态范围，摆脱了以前仅有VP16可以使用的限制。这将为植物基因工程提供更广泛、更高效的工具，为植物的改良提供更精准的方法，从而推动农业的可持续发展。

▲图3 植物强激活子在合成生物学中的应用优于VP16

（A）强激活子与花青素主调节因子PAP1的融合促进花青素的产生。（B）花青素提取物的视觉展示。（C）表达PAP1融合载体的本氏烟草叶片组织中花青素的含量。红色框指示了Pap1的基准水平以及阳性对照Pap1-VP16的水平。（D）激活子与dCas9融合以调节靶基因表达。三个gRNA将融合的dCas9-激活子定位到驱动GUS的合成启动子上。（E）融合的dCas9-激活子的转录物丰度相对于单独的报告载体的变化倍数。

研究人员进一步将植物中具有激活活性的TED与Gal4-DBD融合，并在酵母系统中表达，发现植物激活子在酵母中同样具有激活下游基因转录的功能（图4）。利用酵母的机器学习模型ADpred对TEDs序列进行分析，发现植物与酵母的激活子具有相同的序列特征，表明在真核生物中存在一类通用的转录激活机制。

▲图4 植物激活子活性在酵母中是保守的

（A）当植物激活子与GAL4-DBD融合时，可以诱导酵母自身启动子表达。（B）激活子和对照群体的100,000个记录事件的GFP荧光强度分布。

综上所述，本研究通过系统性研究TED的活性，并将其整合到GRN中，揭示了植物基因表达模式的基本机制和功能动态，为深入认识植物基因调控网络的分子机制提供了新的视角。此外，研究人员还展示了TED在合成生物学和基因工程领域的应用潜力，基于TED可以设计和构建更精确、高效的基因调控工具，从而实现对植物基因表达的精准操控。这些发现将为作物育种、改良和农业生产的可持续发展提供新的途径，为我们开辟了更广阔的研究空间和应用前景。

论文摘要

转录因子的转录效应结构域在控制基因表达中发挥关键作用，然而目前对其功能的理解仍然匮乏，限制了人们对基因调控网络的全面认知。为了在复杂真核生物中绘制转录调控的全景图，本研究对超过400个拟南芥转录因子的潜在转录效应结构域进行了系统性研究，以评估它们在转录调控中发挥作用的能力。研究证明转录效应子活性的数据可以整合到基因调控网络中，进而揭示基因表达模式背后的功能动态性。此外，本研究进一步地展示了鉴定得到的结构域在基因工程中的应用潜力，并揭示了植物转录激活因子与远缘真核生物共享的保守调控特征。研究结果为系统性分析转录因子在基因组范围内的调控作用、深入理解生物系统的转录调控路径提供了框架。

The transcriptional effector domains of transcription factors play a key role in controlling gene expression; however, their functional nature is poorly understood, hampering our ability to explore this fundamental dimension of gene regulatory networks. To map the trans-regulatory landscape in a complex eukaryote, we systematically characterized the putative transcriptional effector domains of over 400 Arabidopsis thaliana transcription factors for their capacity to modulate transcription. We demonstrate that transcriptional effector activity can be integrated into gene regulatory networks capable of elucidating the functional dynamics underlying gene expression patterns. We further show how our characterized domains can enhance genome engineering efforts and reveal how plant transcriptional activators share regulatory features conserved across distantly related eukaryotes. Our results provide a framework to systematically characterize the regulatory role of transcription factors at a genome-scale in order to understand the transcriptional wiring of biological systems.

向下滑动阅览摘要原文

中文内容仅供参考，请以英文原文为准

述评人简介

王冰

中国科学院遗传与发育生物学研究所青年研究员

中国科学院青年创新促进会会员

bingwang@genetics.ac.cn

王冰，博士，中国科学院遗传与发育生物学研究所青年研究员，中国科学院青年创新促进会2019届会员，中国科学院青年创新促进会生命分会委员。围绕植物激素的合成与信号转导取得一系列原创性研究成果，突破独脚金内酯信号途径研究的瓶颈，揭示了一种全新的植物激素信号转导机制，发现独脚金内酯与烟素共同调控植物下胚轴伸长的新机制，阐明了植物激素独脚金内酯与脱落酸协同调控水稻发育和耐逆的分子机制，建立了体外重组有功能的多亚基SCF E3复合体的平台。以第一或通讯作者（含共同）在Nature、Plant Cell、Mol Plant、PNAS、Annu Rev Plant Biol、Sci. China Life Sci等国际主流期刊发表研究论文和综述评述文章13篇，以共同作者在Nature Biotechnology、Mol Plant、Plant Cell等期刊发表合作论文10篇，参与撰写植物激素学术专著《Hormone Metabolism and Signaling in Plants》。2021年获国家自然科学基金委优秀青年基金资助，获第二届优秀女青年奖，担任The Innovation青年编委。

Bing Wang received PhD in Genetics from the Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences (CAS), in 2011 and is a professor in the Institute of Genetics and Developmental Biology, CAS. Her research is mainly focused on the biosynthesis and signaling pathways of two plant hormones, auxin and strigolactones (SLs), which play fundamental roles in regulating plant architecture and grain yield in diverse plant species. She systematically identified SL responsive genes, discovered a novel mechanism in plant hormone signaling, and further setup an engineered platform for reconstituting functional multisubunit SCF E3 ligase in vitro. She is a member of the Youth Innovation Promotion Association of CAS, youth editor of The Innovation, Outstanding Young Women Award, and has been supported by the NSFC Excellent Yong Scientists Fund. Dr. Wang has published papers in Nature, Nat Biotechnol, PNAS, Mol Plant, Annu Rev Plant Biol, Plant Cell, etc.

阅读原文