形態(tài)建成（morphogenesis）首先需要關(guān)鍵基因和蛋白分布斑圖（patterning）的建立。器官形態(tài)建成過(guò)程中經(jīng)常需要維持相互拮抗的基因同時(shí)表達(dá)。相鄰分布的基因之間經(jīng)常存在相互抑制的拮抗作用，維持二者表達(dá)區(qū)域的互斥。二者又需要共同存在，不能由一方完全抑制對(duì)方。例如，植物葉片原基和花原基都劃分為近軸面和遠(yuǎn)軸面，二者相互拮抗但同時(shí)穩(wěn)定存在。

2022年6月8日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院焦雨鈴教授課題組與國(guó)際數(shù)學(xué)中心/定量生物學(xué)中心張磊副教授課題組在Science Advances合作發(fā)表了題為“Coactivation of antagonistic genes stabilizes polarity patterning during shoot organogenesis”（DOI:10.1126/sciadv.abn0368）的研究論文，提出了上游因子同時(shí)激活相互拮抗的下游基因能夠維持發(fā)育斑圖的穩(wěn)態(tài)。

葉片原基和花原基均在靠近分生組織的近軸面表達(dá) REVOLUTA (REV)，在與之互補(bǔ)的遠(yuǎn)軸面表達(dá) KANADI1 (KAN1)。之前的研究早已發(fā)現(xiàn)二者互相拮抗，但卻無(wú)法解釋為何二者能夠共存，其表達(dá)區(qū)域均不會(huì)被對(duì)方擠壓而消失。

圖1. 初生原基中維持互斥的近軸面（REV）和遠(yuǎn)軸面基因（KAN1）的表達(dá)

本研究首先模擬了可能調(diào)控機(jī)制能夠形成的發(fā)育斑圖。計(jì)算模擬表明如果只有二者的拮抗會(huì)導(dǎo)致 “一邊倒”的結(jié)果，僅得到單一的基因表達(dá)。之前有研究者猜測(cè)生長(zhǎng)素作為上游信號(hào)能夠激活 REV表達(dá)并抑制 KAN1表達(dá)，但模擬表明這樣的調(diào)控會(huì)加速 “一邊倒”，使近軸面區(qū)域迅速清空遠(yuǎn)軸面區(qū)域。因此，本研究提出了一個(gè)“蹺蹺板” 模型——生長(zhǎng)素信號(hào)同時(shí)激活 REV和 KAN1的表達(dá)以穩(wěn)定維持兩個(gè)區(qū)域的共存，從而在理論上可以維持發(fā)育斑圖。

圖2. 計(jì)算模擬表明上游同時(shí)激活下游拮抗基因表達(dá)的蹺蹺板模型（模擬5）能夠維持發(fā)育斑圖

研究進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)在擬南芥中驗(yàn)證了所預(yù)測(cè)的調(diào)控，發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)素信號(hào)通路的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子 MONOPTEROS (MP)直接激活 REV和 KAN1的表達(dá)。研究還發(fā)現(xiàn) REV作為轉(zhuǎn)錄因子直接抑制 KAN1表達(dá)。此外，研究還發(fā)現(xiàn)在以上調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中存在更為復(fù)雜的調(diào)控。例如，REV同時(shí)激活 MP的表達(dá)，并和另一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子 PRESSEDFLOWER (PRS)相互激活；而 PRS抑制 KAN1表達(dá)。一系列分子生物學(xué)和活體成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這些調(diào)控。高級(jí)突變體、異位表達(dá)轉(zhuǎn)基因等遺傳實(shí)驗(yàn)也佐證了以上調(diào)控的存在。將新發(fā)現(xiàn)的調(diào)控均加入模型后，新的模擬結(jié)果與實(shí)際基因表達(dá)斑圖更加接近。

以上研究不僅解答了葉片和花原基中近-遠(yuǎn)軸面基因的維持機(jī)制，還從理論上提出了發(fā)育斑圖穩(wěn)態(tài)維持的新模式：上游因子同時(shí)激活相互拮抗的基因表達(dá)可以形成穩(wěn)定的發(fā)育模式。

中科院遺傳發(fā)育所關(guān)春梅副研究員和北京大學(xué)2020屆博士畢業(yè)生喬靈霞（現(xiàn)加州大學(xué)圣地亞哥分校博士后）為該論文的共同第一作者，焦雨鈴和張磊為論文的共同通訊作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

來(lái)源：北京大學(xué)