本院農業生物科技研究中心助研究員劉明容(右一)研究團隊

植物為了順利成長,必須隨時自我調控,增加生存機會。本院農業生物科技研究中心助研究員劉明容研究團隊近期發現植物自我調控的基因表現關鍵,使得植物基因圖譜更加完善,未來可望用來破解農作物基因序列裡的遺傳訊息,進一步了解作物成長如何克服環境不利因素,大幅推進農業生物科技發展。研究成果近期已刊登於國際期刊《基因體研究》(Genome Research)。

植物為因應生長發育所需,體內細胞會啟動基因,產生各種蛋白質,在植物體內分別執行不同功能。然而,各種蛋白質的功能最初是被「編碼」在 DNA基因片段裡,需仰賴細胞裡成熟的訊息核糖核酸(mRNAs)攜帶著基因遺傳訊息,經過「轉譯」(translation)步驟,將基因序列解碼,生成相對應的胺基酸,才能組合出不同種類蛋白質。

在這道轉譯步驟中,若是轉譯起始點不同,製造出的蛋白質也不一樣,接下來也將被送往不同細胞位置,發揮各自作用。劉明容比喻,若將遺傳訊息想像成高速公路地圖,轉譯過程就像車子行駛在高速公路,車從哪個匝道進入,相對應的出口匝道也會跟著確定。換言之,轉譯起始點可以決定遺傳訊息解碼方式、時間與地點,以及最終合成的蛋白質種類和其功能。

目前科學家已知「遺傳密碼子AUG」是開啟轉譯過程的常見起始點,但劉明容團隊運用創新方法,有系統地分析植物細胞內正在進行轉譯的核糖核酸,結果發現,阿拉伯芥、番茄等植物的訊息核糖核酸,除了會使用已知的遺傳密碼子AUG外,也會選擇使用不是AUG的遺傳密碼子開啟轉譯,進而產生新的蛋白質,改變植物的生物功能。這說明植物體內仍有許多尚未被發現的轉譯起始點。

除此之外,研究還發現,植物對於轉譯起始點和遺傳密碼子是有選擇性的,而且具有序列偏好。這樣的選擇性可以幫助植物挑選不一樣的轉譯起始點,產生不同蛋白質與調控基因表現,以因應環境變化。劉明容團隊的研究可以協助科學家從基因定位角度,提供更完善的基因圖譜。

本次研究論文:Prevalence of alternative AUG and non-AUG translation initiators and their regulatory effects across plants已於2020年9月24日發表。研究團隊有劉明容助研究員及第一作者李雅茹研究助理。

論文全文:https://genome.cshlp.org/content/30/10/1418.full

 

為了破解基因序列裡的遺傳訊息,找出訊息核糖核酸(mRNAs)的轉譯起始點(initiation sites)是其中一項關鍵。根據A區示意圖,若是轉譯起始點不同,製造出的蛋白質也不一樣。這些蛋白質後續也將被送往不同細胞位置,發揮各自作用。
【B區第1排】
【圖示】研究團隊預測新發現的轉譯起始點所產生的蛋白質將送往粒線體。
【照片】由左至右分別為:新轉譯起始點所產生的蛋白質、粒線體(mitochondria)在細胞中的位置標記、以及疊合前兩張照片的結果。疊合的照片完全相符,顯示此蛋白質確實被送往粒線體。
【B區第2排】
【圖示】研究團隊運用基因編輯技術,剪去一個新發現的基因轉譯起始點,藉此迫使植物選擇其他的轉譯起始點產生蛋白質表現。
【照片】由左至右分別為:另一個轉譯起始點所製造的蛋白質、粒線體在細胞中的位置標記、以及疊合前兩張照片的結果。疊合兩張照片可以發現,兩種蛋白質不太相符,顯示植物另外找了其他轉譯起始點,合成不同的蛋白質。