我们终于弄清楚了植物如何传递遗传记忆

当动物出生或植物发芽时，新生生物不仅继承了其亲本的 DNA，还继承了一些称为表观遗传记忆的遗传记忆。这些遗传记忆可以以基因表达改变的形式出现，这是由于过去环境压力造成的创伤，或者关于细胞中特定化学标记应如何在它们继承的遗传密码中使用的基本指令。表观遗传在植物中尤为常见，了解其工作原理可以帮助生产更健壮的植物，以便在全球气候变化的情况下确保未来的粮食供应。

科学家们越来越接近了解某些植物表观遗传背后的过程，并发现了一种特定蛋白质如何控制这一过程。该研究结果详见 8 月 28 日发表在《细胞》杂志上的一项研究。

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在这项研究中，来自冷泉港实验室和霍华德·休斯医学研究所的团队深入研究了植物如何传递标记，使潜在的破坏性基因（即转座子）失活。转座子也被称为“跳跃基因”。当它们被打开时，它们可以四处移动并干扰细胞内的其他基因。为了让转座子保持安静并保护基因组的其余部分，细胞使用一种称为甲基化的过程，该过程将调节标记添加到转座子跳跃的特定 DNA 位点。

在甲基化过程中，一种名为 DDM1 的蛋白质会抑制基因，为特定酶扫清道路，这些酶会将重要的遗传化学标记置于植物的新 DNA 链上。植物细胞需要 DDM1 来扫清道路，因为它们的 DNA 自然紧密地堆积在一起。为了保持 DNA 适当压缩，细胞会将其 DNA 缠绕在名为组蛋白的包装蛋白上。

“但这会阻碍各种重要酶进入 DNA，”研究合著者兼植物生物学家 Rob Martienssen 在一份声明中表示。他补充说，在甲基化发生之前，“你必须移除或滑开组蛋白。”

这就是 DDM1 发挥作用的地方。DDM1 使 DNA 沿着包装蛋白滑动，以暴露植物细胞中需要甲基化的位点。马蒂恩森解释说，这个过程就像溜溜球沿着绳子滑行一样。他说，组蛋白“可以在 DNA 上上下移动，每次暴露部分 DNA，但永远不会脱落”。

30 年前，Martienssen 和前同事 Eric Richards 首次发现了 DDM1，这项研究以这一初步发现为基础，利用一种名为拟南芥的植物进行了研究。

在一系列遗传和生化实验中，马蒂恩森精确定位了 DDM1 所取代的组蛋白。接下来，研究合著者 Leemor Joshua-Tor 使用一种称为低温电子显微镜的工艺，拍摄了该酶与 DNA 及其相关包装蛋白相互作用的详细图像。研究小组观察了 DDM1 如何抓住特定组蛋白来重新排列包装的 DNA。

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分子生物学家 Joshua-Tor 在一份声明中表示：“DDM1 之间意外的结合被证实与多年前发现的第一个突变相对应。”

他们的实验还表明，DDM1 对某些组蛋白的偏好如何保留植物代代相传的表观遗传控制。一种只存在于花粉中的组蛋白对 DDM1 具有抗性，并在细胞分裂期间充当占位符。“它记住了植物发育过程中组蛋白的位置，并将这种记忆保留到下一代，”Martienssen 说。这一知识将有助于新一代植物阻止跳跃转座子干扰基因组的其余部分。

植物可能不是唯一进行这一过程的生物。人类也依赖与 DDM1 类似的蛋白质来维持 DNA 甲基化。对其在表观遗传学中的作用的新认识有朝一日可以解释这些蛋白质如何保持我们自己的基因组完整和功能正常，但还需要更多的研究。