玛丽·盖林:用开花植物来探索表观遗传

基因代代相传，在决定每种生物的性状方面起着重要的作用。最近几十年，科学家们发现了另一层控制，即表观遗传学，在形成这些特征方面也至关重要。

这些附加的控制通常通过基因或DNA的其他部分的化学修饰起作用，这些化学修饰会影响这些基因在细胞中表达的难易程度。许多这样的改变在不同物种之间是相似的，这使得科学家可以用植物作为实验模型来揭示表观遗传过程是如何运作的。

麻省理工学院怀德海德生物医学研究所(Whitehead Institute for Biomedical Research)的生物学副教授玛丽•盖林(Mary Gehring)表示:“我们所知道的许多表观遗传现象最初是在植物中发现的，就理解分子机制而言，对植物的研究也起到了带头作用。”

Gehring对小型开花植物拟南芥的研究揭示了许多表观遗传控制的机制，阐明了这些修饰是如何代代相传的。

她说:“我们试图了解表观遗传信息在植物生长发育过程中是如何被利用的，并研究表观遗传信息在单代、代际和进化时间尺度上的动态变化。”

发现的种子

格林在密歇根州北部的一个农村地区长大，在威廉姆斯学院上学时，她就对植物生物学产生了兴趣，并跟随姐姐来到了那里。在她大三的时候，她参加了一个关于植物生长和发育的课程，最后在教授这门课的教授的实验室里工作。在那里，她研究了拟南芥的发育是如何受到一种叫做生长素的植物激素的影响的。

毕业后，格林去了华盛顿附近的一家环境咨询公司工作，但她很快就决定要去研究生院继续学习植物生物学。她进入了加州大学伯克利分校(University of California at Berkeley)，在那里她加入了一个研究不同基因突变如何影响种子发育的实验室。

这个由罗伯特·费希尔领导的实验室，是最早发现一种被称为“植物基因印记”的表观遗传现象的实验室之一。当一个生物体只表达特定基因的母方或父方版本时，基因印记就发生了。这种现象已经在开花植物和哺乳动物中被发现。

Gehring的任务是试图找出这种现象背后的机制，重点研究一种名为MEDEA的拟南芥印迹基因。她发现这种类型的印记是通过DNA去甲基化来实现的，这是一个移除母体基因上化学修饰的过程，有效地激活了它。

2005年获得博士学位后，她在弗雷德·哈钦森癌症研究中心(Fred Hutchinson Cancer Research Center)的史蒂芬·亨尼科夫(Steven Henikoff)实验室里做博士后。在那里，她开始进行更大规模的基因组级研究，她可以同时检查多个基因的表观遗传标记，而不是一次检查一个。

在那段时间里，她开始研究一些她现在仍在研究的课题，包括控制DNA甲基化的酶的调节，以及“转座因子”的调节。也被称为“跳跃基因”，这些DNA序列可以改变它们在基因组中的位置，有时以牺牲有机体为代价来促进它们自己的表达。如果这些基因产生了有害的突变，细胞通常会利用甲基化来抑制这些基因。

遗传模式

获得博士后学位后，盖林被吸引到麻省理工学院的原因是“人们对自己所从事的工作有多么热情，不管是生物学还是其他学科。”

她说:“波士顿，尤其是麻省理工学院和怀特黑德，是一个很好的科研环境。”“似乎有很多机会让实验室里的学生变得非常聪明和有才华，并有有趣的同事可以交谈。”

2010年，当格林加入怀特黑德研究所时，她是该院唯一的植物生物学家，但后来她加入了翁景克副教授。

她的实验室现在主要关注的问题包括父母双方如何促进生育，以及他们的不同兴趣如何导致基因冲突。基因印记是这种冲突的一种表现形式。Gehring还发现，小的非编码RNA分子通过引导DNA甲基化等表观遗传修饰，在印迹和遗传的其他方面发挥重要作用。

“我们发现的一件事是，这种非编码RNA途径似乎控制了种子的转录剂量，也就是说，有多少转录本来自母亲遗传的基因组，有多少来自父亲遗传的基因组。不仅是针对印迹基因，更广泛的是针对非印迹基因，”Gehring说。

她还发现了控制一种酶的遗传回路，这种酶是帮助DNA甲基化模式从父母传给后代所必需的。当这个回路被破坏时，甲基化状态就会改变，不寻常的特征就会出现。在一个案例中，她发现经过几代甲基化破坏后，植物的叶子会卷曲。

“你需要这个基因回路来维持稳定的甲基化模式。如果你不这样做，那么你就会开始看到，随着世代的推移，植物的某些表型会变得更糟，”她说。

在植物中研究的许多表观遗传现象与在动物(包括人类)中发现的现象相似。由于这些相似性，植物生物学对科学家理解表观遗传学做出了重大贡献。20世纪70年代，在植物中首次发现了表观基因组印记现象，在哺乳动物中也发现了许多其他首次在植物中发现的表观遗传现象，尽管分子细节往往有所不同。

“在开花植物和哺乳动物以及真菌的表观遗传控制方面有很多相似之处，”Gehring说。“有些途径是植物特异性的，比如我们研究的非编码RNA途径，其中小的非编码RNA直接导致DNA甲基化，但小RNA通过染色质直接沉默在许多其他系统中也会发生。”