作者:胡珉琦 来源:中国科学报 发布时间:2020/1/19 12:32:47
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为植物表观遗传研究打开一扇门

曹晓风和获奖团队成员正在解析实验结果(一排为曹晓风,二排从左至右分别为刘斌、刘春艳、宋显伟、陆发隆)

曹晓风供图

DNA测序技术发明之后,科学家们认为自己可以通过DNA全基因组测序解析生命的全部密码。渐渐的,他们发现有些重要信息并不编码于DNA序列里面,即便基因序列没有发生变化,生物体的表型也可以改变。这种研究被称为表观遗传学,继传统遗传学之后,表观遗传学如火如荼地发展起来了。

中科院院士、中科院遗传与发育生物学研究所(以下简称遗传发育所)研究员曹晓风和她的团队花了11年时间,开辟了水稻表观遗传研究的新方向,在组蛋白甲基化、小RNA调控植物生长发育和转座子活性的机制研究领域取得了一系列系统性原创成果。相关成果获得了2019年度国家自然科学奖二等奖。

另起炉灶

20036月,曹晓风从美国加州大学洛杉矶分校来到中科院遗传发育所,作为表观遗传学研究领域很有实力的一位新秀,她在国内的研究却是在一间临时腾出来的玉米储藏室起步的。

那时,国内的植物表观遗传学研究才刚刚开始。条件艰苦不算什么,另起炉灶、改变方向才是难上加难。

获奖团队成员、遗传发育所副研究员刘春艳介绍,表观遗传主要包括了三种重要的机制,DNA甲基化、组蛋白修饰和小RNA调控。DNA甲基化不仅是当时国际上研究的主流,也是曹晓风已经站稳脚跟的方向。可为了与美国导师的研究工作更有区分度,曹晓风选择了人烟稀少的地方,从头开始。

组蛋白甲基化是组蛋白修饰中最为重要也是最为复杂的一种修饰,在维持染色体功能以及各种细胞生理活动的调控过程中发挥着重要作用。组蛋白甲基化过程是由甲基转移酶来完成的。围绕植物组蛋白甲基化是如何生成的问题,曹晓风选择的第一个突破口,就是建立和优化纯化手段,从花椰菜中分离纯化植物组蛋白甲基转移酶。

回国近半年,曹晓风经过反复尝试、失败、调整、优化,终于建立了甲基转移酶纯化体系,为后续一系列甲基转移酶的纯化奠定了基础。

“曹老师说,那天晚上她终于睡了回国之后的第一个安稳觉。”刘春艳回忆道。

可紧接着,一个新的挑战又接踵而至。

先前科学家认为组蛋白的甲基化作用是稳定而不可逆的,但2004年,在哺乳动物中发现了这一过程是可逆的,起关键作用的就是去甲基化酶。

这是一个令人欣喜的发现。于是,曹晓风把目光投向了植物组蛋白甲基化去除这一表观遗传调控的重要机制上。获奖团队成员、遗传发育所研究员陆发隆表示,他们花了2年时间先建立起了植物体内组蛋白去甲基化酶活性检测体系,最终鉴定了首个植物H3K27me3去甲基化酶REF6,并指出其不是哺乳动物中H3K27me3去甲基化酶的直系同源物,这也改变了学界过去的猜想。

这项研究阐明了组蛋白甲基化调控基因表达和植物发育的机理,填补了组蛋白修饰调控机制方面的一个空白。

为转座子“正名”

就一个团队的长远发展而言,布局大方向中不同的小研究方向,保持研究体系的完整性很重要。曹晓风并没有“把所有鸡蛋放在一个篮子里”。

在组蛋白甲基化研究的同时,曹晓风团队在国际上率先开展了作物小分子RNA的研究。他们明确了负责小分子RNA加工的关键酶DCL蛋白家族成员在各种小分子RNA生物合成途径和控制水稻重要农艺性状中的功能,揭示了小分子RNA对水稻生长发育的调控作用。

随着研究的深入,他们发现转座子是小分子RNA的重要来源,人类45%的基因组由转座子来源的重复序列构成。可在过去,转座子一直被认为是垃圾DNA。因为不知道什么时候,它们就会从基因组的一个位置跳到另一个位置,破坏重要基因。

历史上享有盛誉的女科学家麦克林托克因在玉米中发现转座子而获得1983年诺贝尔生理学和医学奖。不过,她提出的转座子调控元件假说始终没能在基因组水平上得到证实。

曹晓风团队的研究发现,水稻中大量散布于基因附近的MITE类转座子可产生小RNA,并精细调控旁侧基因的表达。我们首次在全基因组水平上证实了麦克林托克的假设,指出小RNA可以和转座子互为影响,从而调控周围基因的表达。刘春艳说,转座子并不是垃圾DNA,它在生物进化和环境适应性中扮演了很重要的角色,这也为从表观遗传角度进行作物分子育种提供了新的线索和手段。

有意思的是,研究之初,团队的这两个方向是相对独立的。中科院院士李家洋在接受《中国科学报》采访时表示,随着工作的深入,曹晓风团队发现水稻中小分子RNA和组蛋白甲基化还有着内在的相互调控关系,植物组蛋白甲基化在调控转座子沉默中发挥着重要作用,其实这是一个完整的表观遗传调控机制的不同方面

李家洋评价,曹晓风团队在该领域的一系列系统性原创成果不仅为进一步揭示表观遗传调控机制在植物生长发育和环境响应中的功能打下基础,也开辟了水稻表观遗传学研究的新方向,引领了学科的发展,为从表观遗传层面研究作物重要农艺性状奠定了坚实的基础。

育人之道

陆发隆是最早加入曹晓风团队的学生之一,当年,正是通过组蛋白甲基化与去甲基化这项研究,让他迅速成长为了可以独当一面的科研人员。

在他看来,导师选择了一个全新的方向,也意味着培育一支全新的科研队伍。“曹老师的学生中在国内外担当教授的已有十四五位之多,这对一个建成16年的实验室来说,很不容易。

曹晓风的育人理念总是被学生们津津乐道。陆发隆告诉《中国科学报》:“她尊重每个人的特点,给我们极大的科研自由度,愿意放手让我们去做。这不仅培养了学生独立做科研的能力,也释放了学生的主动性、积极性,从而提升学习效果。”

她一直倡导一种开放的科研文化。“曹老师十分看重学术同行的交流,也鼓励学生多参加学术会议,学会自我表达,捕捉哪怕还不够成熟的新知识、新想法。某种意义上,这比看文献更能快速了解领域内的科研新趋势。”刘春艳还记得,相关或跨学科领域的专家常常被邀请来实验室,“尤其在我们的一些研究处于萌芽或者进行到一半的关键时期,为我们提供建设性意见,帮助我们打开思路”。

110日上午,国家科学技术奖励大会结束后,曹晓风就马不停蹄赶回遗传发育所,参加基因组生物学研究中心学术年会。在陆发隆心里,即便过去这么多年,那个当年经常夜里不回家,在沙发上醒来就投入研究的曹晓风,依然是实验室最用功的那个科学家。

 
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