Cell新文章：趋利避害，跳跃基因的沉默

在所有的活生物体内，所有的细胞都具有相同的DNA，但每个细胞的身份则是由任何特定时间开启或关闭的基因组合所决定。在动物的两代之间这样的细胞记忆被抹去，以致新的卵细胞没有记忆，由此具有成为所有细胞类型的潜能。与之相反，在开花植物中细胞的记忆代代相传，对于新植物的发育有可能具有潜在的有害影响。

在最新一期的《细胞》（Cell）杂志上，来自葡萄牙古尔班基安科学研究所（IGC）和美国冷泉港实验室（CSHL）的科学家们描述了一种有可能在花粉粒和种子中沉默移动DNA突变序列，由此避免对新植物损害的新机制。

促成细胞记忆的主要机制之一是将一种化学基团――甲基团添加到DNA序列上，这一过程就称之为甲基化作用。DNA甲基化会导致基因关闭。基因表达中的这些可以遗传，但却并不直接书写在DNA序列上的改变就称之为表观遗传。利用模式植物拟南芥，古尔班基安科学研究所的Jörg Becker、José Feijó和他们的研究小组，以及冷泉港实验室的Robert Martienssen及同事分析了花粉粒和它们前体细胞的基因组，精确地找到了甲基化的DNA序列。花粉粒包含两个精细胞（性细胞）和一个附属的营养核，营养核的DNA不会传递给下一代。利用古尔班基安科学研究所团队开发的技术，研究人员分离了两个精细胞和花粉粒的营养核，分别检测了它们的甲基化状态。

Martienssen实验室的Joseph Calarco和Becker实验室的Filipe Borges观察到DNA甲基化主要保持在小孢子和花粉粒中。但不同的细胞类型之间存在着一些差异。在花粉粒中，一些DNA序列只在精细胞中而不在营养核中甲基化，反之亦然。在这些非甲基化基因中移动DNA序列，称作转座因子，能够转为活跃状态导致诱变效应。

研究小组发现小RNA序列（siRNAs）可以挽救这种情况，恢复胚胎中转座因子的甲基化。事实上，他们发现精细胞中的siRNA甚至在受精前就沉默了转座因子，至少在某些情况下。转座因子在所有已知基因组中非常常见，例如它们构成了45%的全基因组。它们参与了基因组进化，因为当整合到基因组中时，它们可以影响其他基因的功能和组织。不管怎样，转座因子是诱变剂，因为它有可能对细胞和生物体有害，因此它们的激活需要在严格的控制下。如果这样的有害突变发生在性细胞中，它们将传递至子代，扩散到群体中。

Jörg Becker说：“我们在性细胞中揭示了一种可以防止潜在有害转座因子激活的机制，而同时在精细胞和卵细胞融合时，使得具有完全能力成为所有细胞类型的细胞能够形成，这将导致新的一代。另一方面，如果卵细胞中的雌性siRNAs与来自雄性的新来转座因子不相匹配，它们有可能在发育胚胎中逃避沉默，对于生成的新植物具有潜在的有害影响。转座因子这样不受控制的激活至少有可能部分解释了存在的杂交障碍，即物种间的杂交导致了种子发育不全或不育。打破这种障碍将提高植物培育者利用杂种优势现象改良农作物物种的机会。”

众所周知开花植物是重设细胞记忆规则的例外，因为它的修饰有可能遗传数百代。然而直到现在对于此在植物性细胞中发生的程度，以及基因组表观遗传重编程有可能如何促成它还不是很清楚。现在描述的机制有可能成为一个强有力的论据来解释有性繁殖进化和在大多数更高等生物体中变得如此普遍的原因。