被子植物胚乳自主发生的分子机理研究进展

双受精是被子植物的一个有效的进化策略,增加了胚和种苗成活的机会,其中胚乳在胚以及种子发育中至关重要。然而极少数进行无融合生殖的被子植物,它们的胚乳可以在假受精或不受精的情况下克服基因组印记效应的影响且正常发育。拟南芥胚乳自主发生突变体及相关基因的克隆,使人们可以研究和比较自然和突变植物胚乳自主发生的分子机制。本文着重介绍基因组印记对有性生殖和无融合生殖植物胚乳发育的影响,分析和讨论近年来发现的有关胚乳自主发生的基因（如MEA,FIS2,FIE,MSI1和PHE1）及其可能的作用机理。     

基因组印迹与种子发育

胚乳介导营养物质从母体到胚的转运过程,是开花植物中发生印迹的重要部位。胚乳的发育异常会导致胚的败育。在拟南芥中已鉴定到三个FIS (fertilization-independent seed) 基因,能制止无需受精即形成种子的发育过程,即FIS1/ MEDEA、FIS2和FIS3/FIE。其中MEDEA基因是胚乳发育的主要调控基因,在胚乳中被印迹。FWA基因也在胚乳中被印迹。系统阐述了植物基因组印迹的机理以及MEA和FWA印迹机制的研究进展,并介绍了印迹发生的亲本冲突学说、印迹的方式及其它已报道的印迹基因。     

栽培草莓潜在印记基因FaTRG-31的克隆与特征分析北大核心CSCD

在前期通过筛选获得草莓候选印记基因FaTRG-31(turgor-responsive protein 31)的基础上,以八倍体栽培草莓‘红颜’(Fragaria×ananassa Duch.‘Benihoppe’)为材料,对FaTRG-31基因的编码序列进行克隆、生物信息学、组织表达、启动子和印记特性分析,以揭示该基因的作用机理,为草莓印记基因表达调控及生物学功能研究奠定基础。结果显示:(1)草莓FaTRG-31基因开放阅读框(ORF)全长999 bp,编码332个氨基酸,含有典型的Asn-Pro-Ala(NPA)基序和6个跨膜结构,定位于细胞质膜,属于典型的AQP蛋白(aquaporin)家族;系统进化树深入分析表明FaTRG-31为PIPs(plasma intrinsic proteins)亚家族1型蛋白。(2)草莓FaTRG-31在不同组织中均有表达,胚乳中的表达量最高,且在FaTRG-31基因上游克隆出的1989 bp启动子序列中发现含有与胚乳特异表达相关的作用元件,此外还有多种非生物胁迫响应元件和激素响应元件等。(3)草莓印记特性分析结果显示,FaTRG-31在胚乳中的SNP(single nucleotide polymorphism)位点处测序峰为单峰且是母本表达,即该基因在栽培草莓胚乳中为母本表达印记基因。(4)非生物胁迫处理后分析发现,草莓FaTRG-31基因能在不同程度上响应非生物胁迫。     

拟南芥印迹基因MEA

MEDEA(MEA)是第1个在拟南芥胚乳中发现的印迹基因.MEA基因的印迹受甲基转移酶MET1和DNA糖基酶DME之间的拮抗作用调控.MEA基因编码polycomb group(PcG)蛋白,并与FIE、MSI1等其他PcG蛋白形成复合物,维持与细胞增殖相关基因的表达抑制状态.mea突变会启动未受精状态下中央细胞核的复制,而使种子发生败育.目前已发现Ⅰ型MADSbox基因PHERES1是受MEA直接作用的.研究MEA基因对种子发育的调控,不仅有助于阐明原胚及胚乳启动的机制,在无融合生殖研究中也有意义.PcG蛋白在动植物中的强保守性说明,PcG基因印迹在个体发育过程中有调控作用.     

哺乳动物基因组印记的擦除、建立和维持机理

基因组印记主要依靠印记基因DNA甲基化方式调控,这种表观遗传修饰让多种哺乳动物出现基因单等位表达现象。印记的擦除发生在原始生殖细胞(primordial germ cells,PGCs)时期,其主要途径为活化诱导的胞苷脱氨酶(activation-induced cytidine deaminase,AID)、TET(ten-eleven translocation)蛋白介导的去甲基化。印记的建立发生在配子发生期,雌雄有明显的不同。印记的维持在多种因子的共同作用下完成,主要参与的蛋白有Dnmt1、Dppa3、KAP1和ZFP57等。印记的维持贯穿整个发育阶段,并通过细胞分裂遗传给子代。机体正常生长发育有赖于印记基因的正常表达。随着第一个印记基因IGF2R的发现,对于印记机制的研究不断推进。该文将概述基因组印记的建立、维持、擦除机理以及克隆动物中存在的印记基因异常重编程。     

基因组印记中的长非编码RNA

长非编码RNA(lnc RNA)是长度大于200 bp的一类非编码蛋白的RNA,因其在基因组中含量巨大以及重要的生物学功能引起了学术界的广泛关注.基因组印记是一种表观遗传现象,lnc RNAs通过建立靶基因的印记而发挥重要的生物功能.基因组印记可以用来研究lnc RNAs在转录和转录后水平调控基因表达的分子机制.本文选取6个印记机制研究比较透彻的印记区域,包括Kcnq1/Cdkn1c、Igf2r/Airn、Prader-Willi(PWS)/Angelman(AS)、Snurf/Snrpn、Dlk1-Dio3和H19/Igf2.通过介绍包括基因间lnc RNAs(H19、Ipw和Meg3)、反义lnc RNAs(Kcnq1ot1、Airn、Ube3a-ATS)和增强子lnc RNAs(IG-DMR e RNAs)在内的3种类型lnc RNAs在印记调控中的作用,从而了解lnc RNAs通过顺式或(/和)反式作用多种机制调控亲本特异性靶基因的表达.了解印记基因簇中lnc RNAs的作用方式将有助于我们揭示lnc RNAs在整个基因组中的作用机制.     

植物胚乳发育的表观遗传学调控

被子植物的种子发育从双受精开始, 产生二倍体的胚和三倍体的胚乳。在种子发育和萌发过程中, 胚乳向胚组织提供营养物质, 因此胚乳对胚和种子的正常生长发育至关重要。开花植物发生基因组印迹的主要器官是胚乳。印迹基因的表达受表观遗传学机制的调控, 包括DNA甲基化和组蛋白H3K27甲基化修饰以及依赖于PolIV的siRNAs (p4-siRNAs)调控。基因组印迹的表观遗传学调控对胚乳的正常发育和种子育性具有不可或缺的重要作用。最新研究显示, 胚乳的整个基因组DNA甲基化水平降低, 而且去甲基化作用可能源于雌配子体的中央细胞。该文综述了种子发育的表观遗传学调控机制, 包括基因组印迹机制以及胚乳基因组DNA甲基化变化研究的最新进展。     

母源效应蛋白在基因组印记维持中的作用

基因组印记是指生殖细胞发生过程中双亲基因组发生差异表观修饰,使带有亲代印记的等位基因出现父源或母源单等位基因表达。在配子发生和早期胚胎发育过程中,基因组印记甲基化经历一个去除、重建和维持的复杂过程。这个过程中的任何环节被干扰都将导致印记紊乱,造成胚胎发生、胎盘形成及出生后发育异常。近来研究表明,早期胚胎发育过程中一些母源效应蛋白在印记基因表观调控中起重要作用。为了更好地理解这些母源因子对印记基因建立及维持的作用与机制,文章综述了DPPA3、ZFP57、TRIM28和DNMT1等母源效应因子近年来的相关研究进展,并探讨了这些因子对基因组印记的表观调控机制。     

印记基因DLK1的研究进展

在哺乳动物中,有一部分特别的基因,它们由于受到印迹而只表达单一亲本的基因,这种表观遗传的修饰现象就是基因组印记,这有别于经典的孟德尔遗传学定律。DNA甲基化是一种重要的表观遗传修饰,主要的修饰部位发生在DNA的CpG岛。它参与了细胞分化,基因组稳定性、基因印记等多种细胞生物学过程,基因印迹的建立和维持是胚胎正常发育的基础,这一过程的实现有赖于各种DNA甲基化转移酶的精确表达和密切的配合。已发现在哺乳动物的基因组中存在着许多的印记基因,DLK1基因为父系表达母源沉默的印记基因,它的表达同样受到DNA甲基化的调节,它首先在神经母细胞瘤发现并克隆,定位于人类染色体14q32,属于表皮生长因子样超家族的成员之一,约有6个外显子。研究表明,DLK1基因在胚胎肝、早期肌肉组织以及造血干细胞等组织中均有表达,人DLK1基因全长1557bp,编码序列含有1152核苷酸,编码383个氨基酸残基,在人、小鼠、绵羊都存在保守序列,它参与多种细胞的增殖、分化并且与相关肿瘤的发生发展有着密切的关系,印迹基因的印迹异常与肿瘤的易感性及发生发展有重要的关系,本文就国内外DLK1基因的研究进展做一综述。     

印记基因DLK1的研究进展

在哺乳动物中,有一部分特别的基因,它们由于受到印迹而只表达单一亲本的基因,这种表观遗传的修饰现象就是基因组印记,这有别于经典的孟德尔遗传学定律。DNA甲基化是一种重要的表观遗传修饰,主要的修饰部位发生在DNA的CpG岛,它参与了细胞分化,基因组稳定性、基因印记等多种细胞生物学过程,基因印迹的建立和维持是胚胎正常发育的基础,这一过程的实现有赖于各种DNA甲基化转移酶的精确表达和密切的配合。已发现在哺乳动物的基因组中存在着许多的印记基因,DLK1基因为父系表达母源沉默的印记基因,它的表达同样受到DNA甲基化的调节,它首先在神经母细胞瘤发现并克隆,定位于人类染色体14q32,属于表皮生长因子样超家族的成员之一,约有6个外显子。研究表明,DLK1基因在胚胎肝、早期肌肉组织以及造血干细胞等组织中均有表达,人DLK1基因全长1557bp,编码序列含有1152核苷酸,编码383个氨基酸残基,在人、小鼠、绵羊都存在保守序列,它参与多种细胞的增殖、分化并且与相关肿瘤的发生发展有着密切的关系,印迹基因的印迹异常与肿瘤的易感性及发生发展有重要的关系,本文就国内外DLK1基因的研究进展做一综述。