高分综述 | 剑桥大学: 基因表达“噪音”是否在植物中发挥作用？
编译：秦时明月，编辑：十九、江舜尧。
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论文ID
原名：Does Gene Expression Noise Play a Functional Role in Plants?
译名：基因表达“噪音”是否在植物中发挥作用？
期刊：Trends in Plant Science
IF：14.008
发表时间：2020.04
通讯作者：James C.W. Locke
通讯作者单位：剑桥大学
DOI号：doi.org/10.1016/j.tplants.2020.04.017
主要内容
1 基因表达可能是嘈杂的
在相同条件下生长的、基因相同的细胞可以显示出显著不同的基因表达水平。基因表达中的这种噪音在生物学上是普遍存在的，可以在单个细胞之间产生功能差异。例如，它可以允许一部分细胞随机进入应激准备状态，这种状态可以使细胞在环境的突然变化下存活，或者在发育过程中使其分散分化为不同的细胞类型。尽管目前主要在单细胞生物或细胞培养中进行基因表达噪音研究，但植物中的基因表达噪音已经在多种途径中观察到。在这篇综述中，研究人员讨论了噪音在植物基因表达中所起的作用。基因表达噪音提供了一种不同的机制，其允许植物在环境变化中生存。一般来说，可塑性允许植物对环境变化作出动态反应，表观遗传允许植物对以前的胁迫保存记忆，基因表达中的噪音可以使植物对不确定的环境进行“对抗”。
基因表达中的噪音源通常分为外在噪音源和内在噪音源。内在噪音是基因表达的生化过程的离散性所产生的内在随机性，而外在噪音则对应于由细胞状态调节的表达差异（图1）。在多细胞生物中，因为很难控制外部因素如细胞环境或细胞周期，所以其外部噪音源比在单细胞生物中更难识别。尽管如此，科学家已经在拟南芥中使用两个组成性表达启动子35S和UBQ10的双报告系统方法在单细胞分辨率下分析了转录噪音。在所有被测组织中，包括幼叶、成熟叶、根尖、下胚轴和气孔，这两种启动子的外源噪音均高于内源噪音。外部噪音比内部噪音高1.3-3.3倍，具体取决于检查的组织。作为比较，在大肠杆菌中观察到外部噪音比内部噪音高1.3-1.7倍。因此，在一些单细胞和多细胞生物中，外部噪音似乎比内部噪音更为突出。在今后的研究中，对具有不同生物学功能的基因进行类似的实验将非常重要。
在多细胞有机体中，研究人员可以考虑单个有机体中细胞之间的可变性或个体之间的可变性。这些变化程度可能有不同的来源和相关性。分析个体间基因表达的可变性需要比较的个体具有相同的基因。植物是研究个体间基因表达可变的一个很有前景的系统，因为许多植物都是杂合度极低的近交物种。目前已鉴定出导致遗传背景相同的植物之间转录可变的QTL。研究人员发现ELF3的两个等位基因与开花时间和不同硫苷化合物浓度的个体间表型可变有关。有趣的是，ELF3是植物昼夜节律时钟的核心基因。其他一些基因相同植物间存在基因表达可变的个体突变体也被鉴定出来。这些结果表明，基因表达的可变性在基因相同的植物之间是存在的，并且至少可以部分地受到遗传因素的影响。最近，研究人员利用RNA-seq测量了拟南芥幼苗间基因表达的可变性，共有1358个高度可变基因（HVGs）被鉴定，占整个转录组的8.7%。这显示了植物个体间基因表达的巨大差异。然而，这种广泛存在的基因表达可变的来源和作用尚未被阐明。此外，这项工作是在野生型植物中完成的，对可能影响个体间基因表达可变性的突变体，特别是像ELF3这样的生物钟核心基因的突变体也进行类似的分析是很有意义的。
2 噪音影响植物基因表达的机制
一些研究表明，虽然转录噪音源于基因表达生化过程的随机性，但存在多种机制可以减缓或放大它，例如基因调控网络的负反馈环可能会抑制基因表达噪音。相比之下，正向调节可以放大噪音。从细胞核到细胞质的运输也被认为会影响mRNA的可变水平，无论是放大还是减缓噪音。
许多基因组和表观基因组因素已被证明影响基因表达噪音水平。有TATA元件的基因往往比没有TATA元件的基因具有更多的表达噪音。研究人员提出，TATA结合蛋白与TATA元件的结合创造了一种状态，在这种状态下，基因可以在转录期和非转录期之间振荡，而在TATA元件没有TATA结合蛋白的情况下，基因处于一种无法转录的状态。在TATA元件中存在TATA结合蛋白引起的这种振荡是基因表达噪音的原因，这解释了调节TATA结合蛋白与TATA元件结合如何影响基因表达噪音水平。研究还表明，转录因子结合位点的数量和强度影响转录噪音。研究人员提出，转录因子通过3D扩散和沿DNA滑动结合来找到它们的靶点，转录因子结合位点增加对转录噪音的影响是由于转录因子沿DNA滑动的减少所致。转录因子基因之间的竞争也被证明与较高的基因表达噪音有关。最后，较短的基因往往表现出较高的噪音水平。然而，很难知道这些相关性是否是因果关系，因为环境反应基因往往很短，在它们的启动子中具有较少的转录因子结合位点，但却表现出更高水平的基因表达噪音。
染色质结构也被认为会影响基因表达噪音水平。研究表明，启动子中核小体占有率高或位于致密染色质的基因往往表现出较高的基因表达噪音。也有研究表明，DNA甲基化的基因在植物中表现出低水平的细胞间基因表达噪音。通过对FLC基因在低温胁迫下转录调控的研究，研究人员详细分析了染色质在植物基因表达噪音中的作用。是否沉默FLC以应对寒冷是每个细胞中独立作出的决定，这导致了细胞间FLC表达的差异。沉默FLC的细胞比例随着寒冷持续时间的增加而定量增加。
虽然类似的分子因素与细胞间和个体间基因表达的可变性有关，但其他因素也可能与个体间基因表达的可变性有关。由于多细胞组织的复杂性，细胞间基因表达的高可变性可能并不反映在组织或个体间的高可变性上。例如，现阶段已经在表皮萼片细胞中发现ATML1表达水平在细胞间的高度可变性，但该基因在幼苗中显示出低水平的个体间基因表达可变性。研究人员提出，与分离细胞相比，在组织环境中增加细胞间的耦合，如信号传递、主动转运或纯扩散，可以增加或减少组织水平上的基因表达可变性，这取决于分离细胞中的随机波动水平。在植物中，35S和UBQ10启动子的基因表达波动与幼叶中相邻细胞的基因表达有关，而与成熟叶的基因表达无关。基于建模工作，有研究提出在分裂过程中mRNA和蛋白质的遗传不足以解释相邻细胞之间的这种相关性，这表明细胞与细胞之间的耦合是相关的。多细胞个体之间表达的差异可能是由于每个个体表达的空间模式的差异引起的（图2）。虽然目前已经分析了细胞间或植物间的基因表达可变性，但还没有直接比较植物内细胞间和个体间的基因表达可变性，也不清楚它们之间是否有联系。此外，两个基因表达可变水平之间的任何关系都可能取决于所分析的基因。
3 基因表达噪音可能具有的功能
（1）基因表达噪音可以驱动植物的模式形成
最近的研究表明，基因表达噪音在多细胞系统中起作用。实验表明，基因表达的随机性与反馈环结合可以产生空间模式。例如，在植物中，研究人员已经在表皮萼片细胞中检测到ATML1 转录因子的细胞间高水平基因表达噪音，并且与萼片中巨细胞的松散模式相关。当其他细胞继续分裂时，ATML1水平超过阈值的细胞很可能通过进入内复制周期而变得巨大。另外，叶表皮细胞和叶肉细胞的细胞大小变化也与基因表达可变相关。虽然这种可变的来源尚未确定，但一些研究提出，叶表皮细胞的细胞大小可变源于细胞倍性水平的可变。然而，叶表皮细胞倍性水平的可变是如何实现的仍需明确。在气孔发育过程中，随机表达与正反馈回路的结合可能允许创建一个双稳态开关来驱动气孔运动。SPCH控制气孔开闭，并且已经观察到表达SPCH的细胞的转录组在不同重复之间的变化比在分化的后期细胞的变化更大。然而，SPCH的表达和气孔开闭并不是一个细胞自主的过程，因为其存在着位置效应，即与气孔开闭细胞直接接触的细胞本身不能成为气孔。
植物的侧根长度和根毛密度也存在可变性。据推测，侧根长度的可变可能是由于侧根生长期和生长速率的随机性引起的。根系结构是侧根萌生、发生和发育的结果，在侧根生长过程中，同一植物的单个根之间存在很大的可变性。然而，与侧根生长和根毛密度的可变性相关的分子机制尚未确定。
也有研究提出，细胞之间的可变性可能与植物内部或植物之间器官形状或大小的高度均匀性有关。例如，研究人员提出萼片大小和均匀性是细胞生长可变性的时空平均的结果。线粒体i-AAA蛋白酶FtsH4突变体显示出萼片细胞生长速率可变性的降低，而由于细胞可变性的时空平均被破坏，萼片的总体大小和形状的可变性增加。细胞内微管排列对相邻生长的毛状细胞所引起的机械损伤的响应也被认为其限制了毛状细胞生长对萼片形状和大小的影响。虽然毛状体数量的变化对萼片形状没有影响，但机械损伤下微管排列受调控的突变体的特征就是萼片形状会依赖于毛状体数量。
如上所述，基因表达的可变性可以被植物所利用来创造分散的发育模式，如萼片中的细胞大小或调节气孔密度。此外，表达噪音可以使器官更加健壮。最后，在单个植株之间，甚至在单个植株内，观察到了侧根生长和根毛密度等性状的表型可变。细胞间的表达可变可以导致一系列的发育结果，但需要进一步的工作来了解这些不同的结果是如何获得的。
（2）植物中的风险传播
在单细胞生物中，研究人员主要分析了一个基因型可以产生多种表型（其中一种能够在逆境中生存）的风险传播。研究表明，在一个细胞群体中，应激反应基因表达的噪音与一小部分细胞在应激处理期间的存活以及一旦有利条件恢复时整个群体的重建有关。在蝇类中观察到一种风险传播策略，这种策略表现出对温度的偏好。这一策略被认为在季节间温度变化很大的条件下是有益的。
在植物中，种子萌发时间的个体间表型变异是目前风险传播的唯一例子。在沙漠植物中，应对第一场雨后潜在的大范围干旱风险的最佳策略是让一部分种子延迟萌发，而其他种子则对第一场雨做出反应。在拟南芥中，种子萌发时间的异质性与在脱落酸(ABA)浓度中产生噪音的反馈基序有关。此外，在拟南芥中，研究人员已经发现来自同一母株同一角果的相同的种子之间ABA含量的变异。种子萌发风险传播的确切机制及其意义尚不清楚。总体而言，我们仍然缺乏关于可能参与植物风险传播策略的基因的信息。
在植物中也存在许多其他性状的表型变异。在天然材料之间、重组自交系之间以及多个性状的几个突变体中也观察到了表型变异水平的差异。这一点，加上全基因组关联分析(GWAS)和表型变异的QTL研究，表明表型变异可以由细胞核和细胞器基因组的遗传因素控制，并表明植物中的几个性状可能存在风险传播。这进一步表明植物间拥有高水平基因表达噪音的基因往往是环境响应基因。此外，一小部分野生植物通常能在致命的胁迫处理中幸存下来。然而，应激反应基因的植物间基因表达可变是否导致了一部分个体的逆境存活的还有待阐明。
4 揭示植物基因表达噪音的新技术
直到最近科学家才开始在植物中探索基因表达的可变性。这可能是因为在其他生物中用来研究单细胞分辨率下基因表达可变性的大多数方法都需要优化后才能应用到植物上。研究细胞间基因表达可变的两种主要方法是单细胞显微镜和单细胞RNA-seq。
单细胞成像的方法具有保存细胞状态、形态和微环境的优点。然而，单细胞显微镜方法目前仅限于高表达水平的基因。单细胞分辨率下的基因表达可以通过固定组织、单分子荧光原位杂交（smFISH）等方法进行分析，也可以在活细胞和组织中进行分析。smFISH允许通过使用多个与目标RNA杂交的荧光寡核苷酸探针来检测单个分子的RNA。RNA也可以通过使用MS2或Pumilio RNA结合域在体内成像。首先用MS2基序标记RNA，MS2基序是一个发夹结构的RNA序列，由MS2CP蛋白识别，而MS2CP蛋白本身用荧光蛋白标记。在哺乳动物中，可以通过添加24个MS2标签的探针来检测RNA的单个分子。在植物中，MS2方法已经被用于跟踪mRNA的细胞间运动，并通过使用不同的荧光蛋白来跟踪同一细胞中的两种不同RNA，并可以修改Pumilio蛋白的结合域，以识别感兴趣的核苷酸靶序列。
使用荧光报告系统的活体成像显微镜是另一种用于检测植物细胞间基因表达噪音的方法。现阶段可以使用两种报告系统：转录报告系统，其中荧光蛋白受目标基因的启动子控制；翻译报告系统，其中荧光蛋白与目标蛋白融合。翻译报告系统整合了基因的转录和转录后调控以及蛋白质的降解。理想情况下，应该同时使用转录和翻译报告系统来全面分析一个特定的基因。
在单细胞水平上分析基因表达的另一种方法是单细胞RNA-seq。首先，细胞被移除细胞壁并彼此分离，然后进行单个细胞的转录组测序。成千上万个细胞的转录组测序可以同时进行。这种高通量测序方法已经被用于确定拟南芥根中细胞的发育轨迹。虽然单细胞RNA-seq主要用于分析发育轨迹，但少数研究利用它来识别和分析哺乳动物和植物的基因表达可变性。然而，利用单细胞RNA-seq分析细胞间基因表达的可变性具有挑战性，这是由于测序技术和许多混杂效应（如细胞类型和细胞周期阶段）对基因表达有影响。最近，一种用于RNA代谢测序的巯基连接烷基化的单细胞测序法（SLAM-seq）已经被开发出来，其允许在单细胞分辨率下分析基因表达的时间动力学。
尽管所有这些方法仍在改进中，但最大的挑战是开发相应的工具来分析这些方法产生的数据并分离表达噪音。活体成像显微镜需要识别和跟踪细胞或细胞核，这通常需要很大程度的手动校正。单细胞RNA-seq分析涉及数千个细胞的数据集，其中多个隐藏因素可以影响基因表达。数学模型通常被研究人员用来提取关键参数来解释表达噪音，并将这些参数集成到基因调控网络中。许多生物信息学和数学工具已经被用来分析单细胞显微镜和RNA-seq数据；然而，现有的少数研究还不能测试出这些分析方法的准确性。
结论与展望
植物基因表达噪音的来源及分析是近年来的一个新兴研究领域。过去几年的研究表明，植物细胞之间或个体之间的基因表达可变性是明显广泛存在的。然而，现阶段仍然缺乏对以下问题的全面理解：（i）基因表达噪音的来源；（ii）细胞间、组织间和植物间基因表达可变性之间是否存在联系；（iii）个体间的转录和表型可变性在植物中的关系。最近对植物实验方法、分析工具和建模方法的优化允许我们对这些问题开展深入的探索。
鉴于近年来的研究进展，植物基因表达可变性及其表型效应的分析有望成为植物研究的一个重要领域。这些发现对研究人员理解植物的发育、对环境胁迫的响应、进化和基因表达的调控具有深刻的意义。一个有趣的观点是在进化过程中增强基因表达可变性的水平，可以增加遗传背景相同的植物群体对不同环境的稳健性。这一研究在现如今是极有意义的，因为极端和不可预测的气候变化会更频繁地发生。此外，了解植物如何调节基因表达的可变性，对于未来发展表型更一致的作物具有重要意义。
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