科学家们对转录因子如何作为各种基因的遗传开关控制植物的生长和发育做出了引人注目的发现。他们的研究强调，名为START结构域的脂质结合部分的微小修改可以显著影响基因调控，为作物改良、合成生物学和靶向基因治疗开辟新的途径。
来自宾夕法尼亚大学的研究人员，包括文理学院的阿曼·哈斯班兹，强调了转录因子作为遗传开关如何引导植物发育的新方法。他们的发现表明，名为START结构域的脂质结合部分的细微变化可以显著影响基因调控，为农业、合成生物学和精确基因治疗方法的发展铺平道路。
在植物和人类等复杂生物中，有些基本的遗传成分，可以与开发现场的建筑蓝图、工具和熟练工人进行比较。植物生物学家，如宾夕法尼亚大学的阿曼·哈斯班兹，研究一组称为HD-ZIPIII转录因子的专业玩家。这些转录因子负责决定遵循哪些遗传蓝图，以塑造植物的结构和特征，包括其维管系统以及根和叶的形态等特征。
有趣的是，尽管HD-ZIPIII家族的所有成员共享类似的蓝图和工具，但每个成员（如CORONA（CNA）和PHABULOSA（PHB））对这些蓝图的解释却各不相同，从而产生独特和可观察到的结果。
哈斯班兹表示：“亟待解答的关键问题是，‘我们如何解释这些不同的功能结果？’”
在《自然通讯》上发表的一项研究中，哈斯班兹及其同事调查了两个几乎相同的旁系——PHB和CNA，以识别这一分歧背后的机制。
哈斯班兹解释说：“我们发现，尽管这两个转录因子结合到相同的DNA区域，但它们调控不同的基因，导致不同的发育结果。这一意外发现引起了人们对转录因子的一个看似微小但至关重要的方面的关注——START结构域，”该结构域作为决策的基本工具，决定如何在不同位置执行计划。
通过互换PHB和CNA的START结构域，研究人员展示了这一单一修改可能会显著改变它们的功能，从而基本上重写了发育指令。
哈斯班兹实验室的第一作者、前博士后研究员阿什顿·霍卢布表示：“潜在的影响是显著的，这不仅对植物生物学家，而且对相关领域的研究人员也是如此。在合成生物学或基因治疗中，转录因子可能导致不必要的非靶向效应。理解和操纵像START结构域这样的机制，可以使我们精细调整遗传工具，最小化风险，并在未来实现准确的结果。”
理解CNA和PHB的作用
研究人员开始用qPCR探究CNA和PHB之间的功能差异，qPCR是一种定量方法，用于评估RNA分子的数量，从而反映基因的表达水平。最初，他们检查了根据先前研究和对转录因子的既定假设，预计CNA和PHB将调控的两个基因组靶点。
然而，霍卢布提到，qPCR结果揭示了一些意想不到的结果。尽管基于位置的测试（ChIP-qPCR）发现CNA和PHB都结合到相同的靶位点，但评估这种结合影响的不同测试（RT-qPCR）表明它们并不总是有效地产生调控效果。“虽然我们在这些位置检测到了结合，但基因表达没有变化，”他说。“这种差异促使我们扩大视野，探索整个基因组，而不是仅仅几个位点。”
为应对这一悖论，团队应用ChIP-seq全面绘制CNA和PHB在基因组中的所有结合位点，为他们提供了转录因子结合景观的概览。此外，他们还使用RNA-seq（转录组分析）在全基因组范围内评估基因表达变化。这种方法的结合使他们能够确定CNA和PHB的结合位置，以及哪些基因因而被打开或关闭。
霍卢布指出：“qPCR突出了异常，ChIP-seq和RNA-seq则勾画了完整的图景。”
START结构域：一个关键的决策因素
研究使团队确定了CNA和PHB的一个关键特征：它们的START结构域，作为蛋白质的脂质结合部分，使它们具有特定的转录能力。
哈斯班兹解释道：“这些转录因子的一个有趣方面是，它们拥有一个START结构域，这在各类生命形式的其他蛋白质中也被发现。这些结构域在发育、应对压力，甚至疾病中发挥着重要作用。当我们在这些转录因子中观察到它们时，我们提出它们可能解释了CORONA和PHB的不同功能。”
为了验证这一假设，研究人员通过用PHB或甚至与数亿年前分化的物种的START结构域互换，创造了嵌合CNA蛋白。“我们的实验确认，START结构域是影响它们功能的关键因素，”哈萨班兹实验室的博士后研究员萨拉·乔杜里说。“改变的并不是这些转录因子附着的位置，而是它们如何指导它们结合的基因。”
通过删除、突变和互换START结构域，研究人员证明了这个小片段作为决策组件，决定一个基因是被激活还是抑制。对START结构域的小幅修改导致显著效应，突显了这一机制如何促进基因调控的多样性。
反思START结构域如何使一组结合位点生成广泛的发育指令，哈斯班兹巧妙地将拉丁语常用短语“e pluribus unum”（众多而成一）颠覆了，声称：“由一而众。由一个结合网络，可以产生多种不同的调控程序。”
哈斯班兹和他的同事们正在调查这一机制如何在其他转录因子家族以及本研究中使用的主要模型物种arabidopsis thaliana以外的物种中发挥作用。
霍卢布评论道：“我们正在探讨这种差异调控是否是进化中的一个共同特征。如果它在植物中存在，那么在动物中也很可能存在。”
研究团队希望掌握START结构域如何与其他细胞元素相互作用以影响基因调控的复杂性。“我们仍需揭开大量未知的面纱，”乔杜里观察到。“缺乏START结构域的转录因子如何？是否涉及平行机制？这些结构域如何检测和响应环境变化？”
阿曼·哈斯班兹是文理学院生物学系的米切尔·J·布卢特和玛戈·克罗迪·布卢特总统助理教授。
阿什顿·霍卢布，曾是宾夕法尼亚大学文理学院哈斯班兹实验室的博士后研究员，目前是全国儿童医院的研究员。
萨拉·乔杜里是宾夕法尼亚大学文理学院哈斯班兹实验室的博士后研究员。
其他贡献者包括来自宾夕法尼亚大学文理学院的里卡多·乌尔基迪·卡马乔和科特尼·E·德雷斯登，以及来自俄亥俄州立大学的叶卡捷琳娜·P·安德里亚诺娃和伊戈尔·B·朱林。
该研究获得了美国国家科学基金会（资助编号2039489和2310356）的资助。
