Science | 从顺式调控层面揭示基因上位效应影响番茄果实大小的新机制

撰文 | 静思

基因的上位性是遗传学中的一种现象，通俗地讲，是指一个基因突变后的表型受一个或多个其他基因突变影响的情况。基因上位性研究是探究基因之间关系非常重要的一个领域，传统的研究策略是：通过自然或人为突变导致不同基因编码蛋白的功能缺陷，观察研究对象的表型变化，进而探究不同基因功能之间的上位性关系【1-3】。随着高通量测序技术的进步，已经可以在基因层面大规模研究上位性调控之间复杂的网络关系【4-6】。但是目前的研究多数局限于蛋白突变层面，在基因组中，广泛的顺式调控模式控制着基因的时空表达，进而影响其编码蛋白的功能，而且基因的功能往往更多的受其表达情况的影响【7】。由于已知相互作用基因顺式调控位点的变异数据有限，而且这些变异位点对应的表型数据可靠性不足，尽管这些变异对表型的影响十分重要，目前对这一层面的基因上位性研究还不够深入。

近日，美国冷泉港实验室植物生物学家Zachary B. Lippman团队在Science上发表了题为Idiosyncratic and dose-dependent epistasis drives variation in tomato fruit size的研究论文，从顺式调控层面揭示了基因上位效应影响番茄果实大小的剂量效应新机制。

为了研究顺式调控层面对基因之间上位效应的影响，研究人员首先文献检索回顾了CLAVATA3-WUSCHEL（CLV3-WUS）模式调控细胞增殖的基因上位效应。已知CLV3编码一种小型信号肽，通过抑制转录因子WUS来限制干细胞增殖和分生组织的大小，而WUS可以激活CLV3作为反馈调节抑制自身的表达进而限制干细胞增殖并维持分生组织的大小正常【8】。CLV3-WUS模型已经被证明在不同植物中保守存在，在番茄中还存在另一个层面的上位效应，其中SlCLE9可以通过蛋白和顺式调控层面的变化影响SlCLV3的功能【9】。在植物表型层面，前期研究证明了SlWUS-SlCLV3模型可以通过调控番茄果实腔室的数目影响其大小【10】，而且SlWUS的顺式调控元件locule number (lc)（SlwusCR-lc）和SlCLV3的调控元件fasciated（fas）（Slclv3fas）可以表现出联合增强效应【10】，所以研究人员认为这一模式中顺式调控元件层面的上位效应情况值得研究。

首先研究人员通过基因编辑技术对Slclv3顺式调控区域进行编辑，获得了一系列不同腔室个数的番茄突变体材料，选取其中12个有代表性可稳定遗传的样本（Slclv3Pro），然后跟Slwus顺式调控元件区域野生型和突变体材料（SlwusCR-lc）两两组合，获得了两个基因顺式调控元件变异不同组合的植物材料。关于顺式调控元件协同增强基因上位效应的影响，研究人员提出了几个假设：1、SlwusCR-lc的影响与Slclv3Pro基因顺式调控位点的强度呈线性增强相关；2、在顺式调控区域不同位点突变对SlwusCR-lc功能的影响是相同的；3、SlwusCR-lc的影响是特异化的，既可以是增强也可以是减弱，与Slclv3Pro突变植株的背景相关。为了验证上述三种假设，研究人员利用最大似然法将建立的嵌套模型家族进行对数转换，经过关联分析发现SlwusCR-lc对Slclv3Pro基因的影响是特异化的。一个明显的例子是：Slclv3Pro-22单位点突变比Slclv3fas野生型或突变型背景下SlwusCR-Lc突变果实腔室要多，而Slclv3Pro-22单位点突变基础上SlwusCR-Lc突变会进一步减少腔室的数目，说明SlwusCR-Lc对Slclv3Pro-22位点是负调控上位性作用；与此同时，Slwuslc表现出对Slclv3fas强烈的正调控上位性作用。

随后研究人员进一步猜测，SlwusCR-lc与Slclv3顺式调控区域的不可预测性上位影响是否可以被SlCLE9影响，分析发现，Slclv3Pro等位基因调控位点的数目与Slcle9之间呈现等比例协同上位性的表型。进一步通过数据模型嵌套，发现Slcle9的影响总体上表现出一种剂量依赖型的饱和关系，即在达到SlCLV3被破坏的临界程度之前，Slcle9的影响可以忽略不计，而超过这个阈值，Slcle9的影响就会增加，并最终在更强的Slclv3Pro背景下达到近似恒定的增强水平。

研究人员进一步探索更高维度的顺式作用元件调控之间的上位性影响，通过构建Slclv3Pro-Slcle9-Slwuslc三个突变体的不同组合进行分析，基因型和表型关联分析结果表明，在高维等位基因（三个基因）组合中，双向相互作用中的上位效应也是特异性受植物背景影响的。

综上所述，该研究通过系统分析探究Slclv3Pro-Slwuslc-Slcle9之间在顺式调控层面的基因上位性关系，发现了一种特异性受植物背景影响的基因上位现象，而且存在剂量影响效应，这种在顺式调控层面的上位现象可以直接影响番茄果实腔室的数目，进而影响果实大小。该研究不仅使我们对顺式调控层面基因上位现象的复杂性有了深入的了解，同时为后期遗传育种中设计新的等位基因组合时，更广泛的考虑不同基因背景的影响提供了指导作用。

参考文献：

【1】T. F. C. Mackay, Epistasis and quantitative traits: using model organisms to study gene-gene interactions

. Nat. Rev. Genet. 15, 22–33 (2014).

【2】T. B. Sackton, D. L. Hartl, Genotypic Context and Epistasis in Individuals and Populations. Cell 166, 279–287 (2016).

【3】R. F. Campbell, P. T. McGrath, A. B. Paaby, Analysis of Epistasis in Natural Traits Using Model Organisms

. Trends Genet. 34, 883–898 (2018).

【4】N. Bosch-Guiteras, J. van Leeuwen, Exploring conditional gene essentiality through systems genetics approaches in yeast. Curr. Opin. Genet. Dev. 76, 101963 (2022).

【5】M. Costanzo et al., A global genetic interaction network maps a wiring diagram of cellular function. Science 353, aaf1420 (2016).

【6】E. Caudal et al., Crowdsourced RNA design discovers diverse, reversible, efficient, self-contained molecular switches.Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 119, e2204206119 (2022).

【7】A. P. Marand, A. L. Eveland, K. Kaufmann, N. M. Springer, cis-Regulatory Elements in Plant Development, Adaptation, and Evolution. Annu. Rev. Plant Biol. 74, 111–137 (2023).

【8】M. Kitagawa, D. Jackson, Control of Meristem Size.Annu. Rev. Plant Biol. 70, 269–291 (2019).

【9】G. C. Briggs, K. S. Osmont, C. Shindo, R. Sibout, C. S. Hardtke, Unequal genetic redundancies in Arabidopsis--a neglected phenomenon. Trends Plant Sci. 11, 492–498 (2006).

【10】D. Rodríguez-Leal, Z. H. Lemmon, J. Man, M. E. Bartlett, Z. B. Lippman, Engineering Quantitative Trait Variation for Crop Improvement by Genome Editing. Cell 171, 470–480.e8 (2017).

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi5222