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【Cell】重磅！揭示基因的顺式调控区域控制基因的多效性，打开了通往大量新基因和变异体的大门

来源：花匠小妙招时间：2025-10-16 02:06

基因功能的分化是进化的一个标志。基因功能的差异可能是由编码区的突变引起的，导致氨基酸的变化来改变蛋白质的功能，或者是由顺式调节区域以复杂的方式相互作用来决定不同组织在整个发育过程中的结构域和表达水平。进化往往源于顺式调控区域的变化，因为这些区域中的大量序列及其复杂的相互作用提供了巨大的突变空间，以便以定性和定量的方式改变表达和表型。因此，这些区域的研究是揭示基因功能的许多方面并区分差异基因功能和保守基因功能的有效方法。

2021年3月4日， Cell 杂志发表了冷泉港实验室的Zachary B. Lippman和 Idan EfroniZachary 为共同通讯作者的题为Conserved pleiotropy of an ancient plant homeobox gene uncovered by cis- regulatory dissection 的研究工作，通过在番茄SlWOX9基因中产生基因组编辑的启动子等位基因，我们发现了在营养和生殖发育中的多效性作用，并进一步表明特定的顺式调控区域控制着这种多效性，这对利用基因组编辑在农业中的应用具有重要意义。

基因功能的差异可能是由编码区的突变引起的，导致氨基酸的变化来改变蛋白质的功能，或者是由顺式调节区域以复杂的方式相互作用来决定不同组织在整个发育过程中的结构域和表达水平。进化往往源于顺式调控区域的变化，因为这些区域中的大量序列及其复杂的相互作用提供了巨大的突变空间，以便以定性和定量的方式改变表达和表型。因此，这些区域的研究是揭示基因功能的许多方面并区分差异基因功能和保守基因功能的有效方法。

WUSCHEL Homeobox(WOX)基因是一个重要的基因家族，通过调节分生组织中干细胞群体的生产和成熟来控制植物的生长和发育。对WOX基因的大多数功能研究都是在十字花科植物拟南芥中进行的，在拟南芥中，多个WOX基因的单个和组合突变揭示了不同的、往往是多余的发育作用。对其他植物中WOX同源基因的遗传研究表明，几个家族成员的分生组织功能是保守的。然而，也出现了功能分化的案例。最引人注目的例子之一是 WOX8 和 WOX9 以及它们在其他物种中的同源基因。在拟南芥中， wox8 wox9 双突变体和 wox9 突变体具有胚胎发育缺陷，可以通过转化 WOX8 或 WOX8 来挽救。相比之下，在茄科植物茄子番茄中，只有一个WOX8/9同源基因，等位基因突变后，导致生殖分生组织过度增殖，导致花芽过度分枝。在茄科番茄的两个近缘种辣椒和矮牵牛中，wox8/9突变体植株导致嫩茎分生组织生长，很少开花。在水稻中，wox8/9突变不仅主要增殖腋生分生组织，还会导致节间变短，并对花序分枝产生微妙的影响。 总而言之，这些跨物种的遗传分析表明，WOX8/9的功能在短期和长期的进化时间尺度上都存在分化。

本研究，利用CRISPR-Cas9多重突变编辑系统在番茄中设计了大量的WOX8/9启动子的等位基因，揭示了该基因多重多效性作用，且不同的多效性功能与特定区域的重叠可及染色质和顺式调节序列保守有关。

通过8个引导RNA(gRNA)，测试SlWOX9启动子的3.7kb近端区域，分离出23个slwox9pro等位基因，这些等位基因具有分布在整个靶区的各种大的缺失、倒置和小的插入-缺失突变。

研究发现番茄WOX8/9的无义突变体和拟南芥一样是胚胎致死的；然而，大多数含有启动子等位基因的突变体都绕过了胚胎致死，使植物表现出一系列营养和生殖分生组织缺陷的表型。在23个slwox9pro品系中，有15个品系形成了分枝花序。这种表型与启动子远端第二个ATAC-seq峰区(峰2,350bp)的缺失密切相关。发生在第二个ATAC-seq峰区之外的缺失和倒位本身似乎不会引起分枝，但可能会对花序分枝的范围造成轻微的影响。 因此，第二个ATAC-seq峰区和其他区域 (可能包括大的s-n5568倒位内的区域)与SlWOX9花序功能相关。同时，与由于SAM终止而停止生长的拟南芥亚型wox9植株不同，表现早熟SAM终止的番茄slwox9pro植株经常产生发育正常的腋生分生组织。值得注意的是，只有去除了峰值-2下面的序列，才能产生分枝的花序，验证了该区域在SlWOX9生殖功能中的关键作用。 对Pro-REG1中的多个序列功能分析，表明Pro-REG1特异性地决定SlWOX9的胚胎功能。

CRISPR-Cas9 mutagenesis of specific SlWOX9 cis- regulatory regions separates embryonic and inflorescence functions

对茄科植物茎尖分生组织中相应保守序列的定点突变表明，樱桃WOX8/9的多效性分生组织功能及其顺式调控在番茄中是保守的。同时，也发现WOX8/9的多效性延伸到了拟南芥，尽管在拟南芥中这些顺式调控元件组织几乎没有保存下来。

综上，通过在番茄SlWOX9基因中产生基因组编辑的启动子等位基因，发现了在营养和生殖发育中的多效性作用，并进一步表明特定的顺式调控区域控制着这种多效性。

该工作为广泛探索基因功能差异和保守多效性在动植物发育中的普遍存在以及研究顺式调控复杂性的进化如何塑造这些轨迹奠定了基础。

顺式调控区的突变不仅在进化中至关重要，因为它们的表型效应很弱，且这种变异可能比蛋白质编码区的突变产生的多效性的不良后果更少。事实上，目前越来越多的证据表明，作物驯化和改良不成比例地依赖于顺式调控区域的突变。然而，这一巨大的变异空间还没有被充分探索或利用。通过对顺式调控区域进行精确的基因组编辑来调控多效性，可能会，这些新基因和变异体可以在农业中加以利用。

论文链接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00151-3