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Science Advances | 焦雨铃组与数学中心张磊组合作提出维持表达斑图稳态的跷跷板模型

日期: 2022-06-09

形态建成(morphogenesis)首先需要关键基因和蛋白分布斑图(patterning)的建立。器官形态建成过程中经常需要维持相互拮抗的基因同时表达。相邻分布的基因之间经常存在相互抑制的拮抗作用,维持二者表达区域的互斥。二者又需要共同存在,不能由一方完全抑制对方。例如,植物叶片原基和花原基都划分为近轴面和远轴面,二者相互拮抗但同时稳定存在。

202268日s36沙龙国际官网焦雨铃课题组与国际数学中心/定量生物学中心张磊课题组在Science Advances合作发表了题为“Coactivation of antagonistic genes stabilizes polarity patterning during shoot organogenesis(DOI:10.1126/sciadv.abn0368) 的研究论文,提出了上游因子同时激活相互拮抗的下游基因能够维持发育斑图的稳态。

叶片原基和花原基均在靠近分生组织的近轴面表达 REVOLUTA (REV),在与之互补的远轴面表达 KANADI1 (KAN1)。之前的研究早已发现二者互相拮抗,但却无法解释为何二者能够共存,其表达区域均不会被对方挤压而消失。

图1. 初生原基中维持互斥的近轴面(REV)和远轴面基因(KAN1)的表达

本研究首先模拟了可能调控机制能够形成的发育斑图。计算模拟表明如果只有二者的拮抗会导致 “一边倒” 的结果,仅得到单一的基因表达。之前有研究者猜测生长素作为上游信号能够激活 REV 表达并抑制 KAN1 表达,但模拟表明这样的调控会加速 “一边倒”,使近轴面区域迅速清空远轴面区域。因此,本研究提出了一个“跷跷板” 模型--生长素信号同时激活 REV KAN1 的表达以稳定维持两个区域的共存,从而在理论上可以维持发育斑图。

图2. 计算模拟表明上游同时激活下游拮抗基因表达的跷跷板模型(模拟5)能够维持发育斑图

研究进一步通过实验在拟南芥中验证了所预测的调控,发现生长素信号通路的关键转录因子 MONOPTEROS (MP) 直接激活 REV KAN1 的表达。研究还发现 REV 作为转录因子直接抑制 KAN1 表达。此外,研究还发现在以上调控网络中存在更为复杂的调控。例如,REV 同时激活 MP 的表达,并和另一个转录因子 PRESSED FLOWER (PRS) 相互激活;而 PRS 抑制 KAN1 表达。一系列分子生物学和活体成像实验验证了这些调控。高级突变体、异位表达转基因等遗传实验也佐证了以上调控的存在。将新发现的调控均加入模型后,新的模拟结果与实际基因表达斑图更加接近。

以上研究不仅解答了叶片和花原基中近-远轴面基因的维持机制,还从理论上提出了发育斑图稳态维持的新模式:上游因子同时激活相互拮抗的基因表达可以形成稳定的发育模式

中科院遗传发育所关春梅副研究员和北京大学2020届博士毕业生乔灵霞(现加州大学圣地亚哥分校博士后)为该论文的共同第一作者,焦雨铃教授和张磊副教授为论文的共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金委员会、科技部重点研发计划等项目的资助。

原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn0368