撰文 |酶美
责编 |丁梵
生命系统(Livingsystem)所具有的稳健性(Robustness)使其具有强大的生命力以应对内在的遗传突变和外在的环境胁迫【1】。遗传补偿（geneticcompensation）效应是实现生命系统稳健性的重要途径。它可以通过上调同源基因表达，启动“应急预案”缓冲主效基因突变从而进行功能补偿。今年4月，Nature背靠背在线发表了德国Stainier实验室和浙大实验室在斑马鱼系统中的实验（请点击查看：专家点评Nature背靠背 |浙大教授解释基因敲除为何没有表型），解析了遗传补偿效应中调控同源基因表达的分子机制。遗传补偿效应在生物系统中是保守并广泛存在的，植物系统也发现了该效应的存在【2】。基因重复（duplication）提供了这一效应的物质基础【3】。基因重复后，同源基因可产生一定的时空特异性分化表达，功能也可能进化，产生新的表型【1】。
2019年4月15日，NatureGenetics在线发表了美国冷泉港实验室ZacharyLippman教授研究组与合作者完成的题为Evolutionofbufferinginageneticcircuitcontrollingplantstemcellproliferation的论文。该研究系统探索了在不同植物种属中，控制植物干细胞增殖的小肽CLV3及其受体CLV1信号通路的遗传补偿效应。Rodrigues-Leal博士和许操博士（现为中科院遗传所研究员）为该论文的共同第一作者。
小肽CLV3和受体激酶CLV1以及促进植物干细胞增值的转录因子WUS组成一个负反馈抑制通路，控制植物茎尖分生组织干细胞的增殖。CLV-WUS通路在植物中非常保守，在拟南芥、玉米、水稻和番茄中均被发现参与了干细胞增殖的调控，该信号通路一直是植物发育和作物驯化中最重要调控通路之一，其中小肽信号CLV3及其同源CLE家族成员众多（图1）。探索它们之间是否存在遗传补偿效应并揭示其发生的分子机制对植物生物学和作物改良均具有重要意义。
图1. 植物系统CLV通路基因的集群分析
作者系统探索了信号分子CLV3系列同源基因，及受体CLV1系列基因在番茄、拟南芥和玉米的遗传补偿效应。在番茄中（图2），SlCLV3的沉默突变可以上调同源基因SlCLE9的表达，增幅可达40倍，显示是一种主动补偿效应。SlCLE9也主要通过SlCLV1受体对下游通路进行调控。表型分析表明，SlCLE9表达的上调不能完全回复slclv3的突变表型。进一步实验表明，这一功能差异是由于SlCLE9的序列差异，未能有效调控下游通路。受体方面，SlBAM基因未有对受体CLV1的补偿效应。
图2 番茄中clv3突变体的主动遗传补偿效应
前期研究表明，拟南芥中受体clv1突变可以被BAM（1-3）基因的表达上调而得以功能补偿，对BAM1-3基因的表达来说补偿效应是逐步叠加的【1】。本文作者分析了信号分子CLV3在拟南芥中是否有补偿效应。首先表型分析表明，受体四突变体clv1bam1/2/3的表型比clv3突变体显著。基因表达分析显示，clv3突变体中，CLV3自己的表达上调，却没有找到任何CLE基因表达明显（2倍）上调，提示这可能是一种被动补偿效应。通过组合突变，作者测试了11个功能CLE基因是否能进行补偿。在clv3突变背景下，9个CLE基因的联合突变能显著提升表型。但是这个10基因联合突变体的表型仍然比受体四突变体弱，提示可能有更多的CLE基因参与到这一被动补偿效应中。
图3 拟南芥中的CLE基因被动遗传补偿效应
本文作者分析的第三种植物是单子叶植物玉米。单子叶植物有两个类CLV3基因，这一基因重复事件独立于双子叶植物SlCLV3和SlCLE9的产生。实验分析揭示ZmCLE7和ZmFCP1基因未见主动补偿效应。
与动物不一样的是，在番茄和拟南芥中均能检测到clv3突变体中显著上调自己位点的转录，没有突变clv3mRNA降解；而番茄中CLE基因主动补偿效应的表观遗传调控原理也未知。进一步深入探索植物系统中CLV通路遗传补偿效应的表观遗传调控机制，有助于我们对植物系统的改造。
参考文献：
【1】Diss, G., Ascencio, D., DeLuna, A. & Landry, C. R. Molecular mechanisms of paralogous compensation and the robustness of cellular networks. J. Exp. Zool. B Mol. Dev. Evol. 322, 488–499 (2014).
【2】Nimchuk, Z. L., Zhou, Y., Tarr, P. T., Peterson, B. A. & Meyerowitz, E. M. Plant stem cell maintenance by transcriptional cross-regulation of related receptor kinases. Development 142, 1043–1049 (2015).
【3】Kafri, R., Bar-Even, A. & Pilpel, Y. Transcription control reprogramming in genetic backup circuits. Nat. Genet. 37, 295–299 (2005).
https://www.nature.com/articles/s41588-019-0389-8
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