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动物基因组非编码区的顺式作用元件对转录调控进化与形态多样性具有重要意义。但是，植物基因组中顺式作用元件的进化动力学尚未得到充分的研究。近日，香港中文大学钟思林课题组与多团队合作在Nature Communications杂志发表了题为“Limited conservation in cross-species comparison of GLK transcription factor binding suggested wide-spread cistrome divergence”的研究论文，揭示了植物光合关键转录因子GLK调控机制在1亿年的演化。
GOLDEN2-LIKE（GLK） 是一类植物特有的转录因子，曾一度被认为在植物生长发育所有阶段都高度参与了叶绿体的发育调控。该研究在全基因组水平研究了GLK在番茄、烟草、拟南芥、水稻和玉米中的结合位点。令人意外的是，尽管GLK的生物学功能是非常保守的，它在基因组里大部分的结合位点却是物种特异的 （图1） 。每个植物基因组里只有大约10-20%的高度保守的GLK结合位点。这些保守的GLK结合位点大多富集在光合作用相关的基因的5‘端染色质开放区 （ATAC-seq peak） 。保守的结合位点比物种特异的结合位点有更强的ChIP-seq 信号。分析GLK突变体的RNA-seq数据发现，保守的GLK靶基因大部分都需要GLK来维持表达。
图1. 植物进化过程中GLK调控的多样性
通过机器学习模型，作者可以预测GLK结合位点的转录调控功能，并发现其他转录因子共结合的信息 （co-binding TF） 可以提高模型的准确性 （图2） 。该研究认为基因组里大部分转录因子结合位点的功能很可能是冗余的，这对解析单一转录因子结合位点的调控功提出了新的挑战。
图2. 利用机器学习预测GLK靶基因的表达
上海交通大学农业与生物学院涂晓雨副教授为本文第一作者，香港中文大学钟思林教授和山东农业大学李平华教授为通讯作者，在读博士生任思泊、已毕业沈威和李健健博士为共同第一作者。华中农业大学谢为博教授课题组，诺丁汉大学Don Grierson院士，以及美国康奈尔大学Boyce Thompson Institute费章君教授和Jim Giovannoni院士也参与了该项研究工作。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-35438-4
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