生物学

染色体外环状DNA在藜草抗草甘膦快速适应中的作用

与其他生物一样,植物具有遗传应力避免机制,当连续暴露于它们时,使它们能够对特定化学品抵抗力。克里斯托弗Saski博士from Clemson University and Dr William Molin from the U.S. Department of Agriculture are researching the extrachromosomal circular DNA (eccDNA) structure known as the replicon of pigweed, which contains the EPSPS gene, the gene product of which is the target of the herbicide glyphosate. The replicon is a feature of the glyphosate-resistant pigweed genome that gives the pigweed selective advantage to survive and proliferate – and has characteristics similar to some human cancers.


杂草是具有特殊基因组和自适应潜力的植物,其允许它们迅速适应生物和非生物胁迫,例如病原体或恶劣的环境条件。它们具有显着的适应性,可以在各种不利条件下茁壮成长,包括干旱,极端天气,具有非中性pH和高盐含量的土壤,列出了一些。事实上,这些是与在全球各地的作物育种者在为人类和农业中选择作物的作物育种者的特征,但是前进通常很小,缓慢。不幸的是,杂草对世界各地的农业造成了巨大的收费。美国专门应用约6亿英镑的除草剂来管理杂草,在农业生物系统中留下了大化学占地面积。此外,除草剂杂草物种的扩展数和全球分布威胁着食物,燃料和生物产物可持续性。

目的基因扩增是一种常见的草甘膦抗性机制。全面了解所涉及的基因组动力学是发展新时期农业杂草缓解策略的基础。克里斯托弗Saski博士系统遗传学副教授克莱姆森大学、南卡罗来纳,和威廉博士等植物生理学家农业研究服务,美国农业部,发现了一个独特的特性允许它放大的藜基因组基因称为EPSPS草甘膦压力的反应。该基因的产物是除草剂草甘膦的靶标。尽管如此,植物仍然能够通过发展抵抗生存机制来应对压力,从而导致其随后的增殖。藜对草甘膦的抗性已经蔓延到美国的27个州,在草甘膦出现之前常用的除草剂不得不重新引入,以调节草甘膦对作物生产的威胁。

Saski博士和莫林推测ECCDNA可以构成下一代除草剂的目标
抗癌药物。

除草剂电阻机制可以遗传
萨斯基博士和莫林发表了两项研究,其中一项研究于2017年,并在2020年,猪中的DNA形成了一个称为复制子的非常大,圆形,自我复制的结构。该结构是全孢囊组体圆形DNA(ECCDNA)的实例。当含有复制子的草甘膦植物暴露于草甘膦时,通过ECCDNA复制子编码的59个基因的41转录活性。ECCDNA复制子含有EPSPS基因,其携带信息以表达由草甘膦靶向的蛋白质,其其他基因可能具有较为宽的环境应力。响应于暴露于除草剂,扩增EPSPS基因,植物将能够产生高水平的基因产物。这使猪逃避草甘膦的破坏性作用。

草甘膦易感(S Biotype)和抗甘油酸盐(R生物型)亚型:R生物型的DNA形成含有EPSPS基因的ECCDNA复制子。Circos Clot的Eccdna Replicon(右)。

圆形DNA形式的基因的扩增是应力避免机制的实例。响应于外部刺激而导致生理学改变,是通过遗传多样性的基因组适应性的有趣示例。响应于选择压力,在植物以外的生物中观察到基因扩增。例如,长期以来已知细菌发展这种抗性以逃避抗生素的作用。人类抗生素广泛使用抗生素抗性水平,并导致了几种“超级蛋白”的形成。在昆虫发育杀虫剂抗性的昆虫中已经观察到类似的机制。同样,大规模和排他性使用草甘膦使植物生物中除草剂抗性的演变引起了猪和其他作物杂草等植物生物。Drs Saski和Molin表明,ECCDNA复制子可以通过下一代植物继承,然后通过性质抵抗草甘膦,作为动作自适应演化的例子。

不确定是否依赖于仔猪演化一次的草甘膦耐药一次,然后涂抹在美国,或者它是否在几个地点中独立起源。The researchers addressed this question by assessing the genetic variation of glyphosate-resistant (GR) and glyphosate-susceptible (GS) subtypes of pigweed from different regions in the U.S. The high sequence conservation among GR biotypes, which were widely distributed across the country, further supports the hypothesis that glyphosate resistance most likely originated from a single population. It is thought that it first originated in Georgia and then spread to the rest of the U.S. through seed dispersal and mechanical means.

美国专利约为6亿英镑的除草剂,以管理杂草,在农业生物系统中留下大型化学占地面积。MRGOSLOW / SHUTTESTOCK.com.

圆形DNA在癌症耐药性中的作用
尽管仍然没有很好地理解,但在其他植物中发现了ECCDNA以及其他较高真核生物的其他示例,包括人类。有趣的是,已发现许多人类癌症含有患有肿瘤内酯基因的ECCDNA。全基因组测序和结构建模研究表明,在分析了近一半的人类癌症中发现了ECCDNA。肿瘤类型的ECCDNA的存在,但也发现在正常的人体细胞中。

最近,一些含有eccdna的人类癌症被报道与化疗耐药有关。这些eccdna被认为是人类癌症在应对药理学应激时生存和增殖的遗传异质性和选择优势。有趣的是,数学模型预测,与染色体DNA扩增相比,ecdna扩增会更有效地增加致癌基因拷贝数。Saski和Molin博士推测,eccdna可能构成下一代抗癌药物的靶点。

ECCDNA复制子可以用作基因扩增,特征表达和基因组信息的维护和转移的载体,在生物技术中提供新的视野。

一种高度保守的序列,可作为植物质粒
ECCDNA复制子的分析显示出具有通常与自主复制位点相关的序列的区域。自主复制序列(ARS)可以作为真核生物中复制的起源,并且已经证明植物具有常见的酵母和高等动物中常见的ARS结构和序列特征。猪中发现的ECCDNA AR的序列具有与酵母和其他植物的基因组内鉴定的匹配。有趣的是,ECCDNA复制子的ARS序列的克隆证明它能够通过在酵母中表达时产生分割菌落来实现自复制。这是一种新的发现,它定义了ECCDNA复制子使得EPSP和其他基因的许多副本的机制。

所有王国的循环DNA的存在表明细胞中的基本生物学作用。圆形DNA中基因和基因簇的扩增是响应环境刺激而引发的基因组适应性的主要机制。

猪草特殊的基因组使它能够快速适应压力,如干旱、极端天气或除草剂。祖拉赛/Shutterstock.com

未来的观点
Saski博士、Molin博士和他们的团队现在正致力于更好地了解藜草中eccdna的遗传学和功能成分。这些可以作为开发新型除草剂的模型,或开发能够逆转草甘膦抗性的机制。对ecdna生物学的基因组研究将为提高作物产量和杂草管理提供替代方法,并可能成为植物基因工程的新载体。对eccdna及其作用的新的生物学理解也可能导致加快或减缓适应过程的方法,这将使农民在比自然过程更快的时间范围内生产新作物,或减缓可持续杂草控制的适应过程。展望未来,这可能成为养活不断扩大的全球人口的更大战略的一个组成部分。

ECCDNA在癌症抗药性发展中发挥的作用值得进一步调查,并将这项工作的进一步调查和翻译在更高阶系统上可以对生物医学系统产生广泛影响,并导致在癌症或其他疾病的病因中发展更大的洞察力。旨在认为循环DNA可能是未来抗癌药物发展的策略。

EPSP合成酶(3-磷酸三核1-羧乙烯基转移酶)。CC0,CC0,CC0,通过Wikimedia常见的Clang14
显示蛋白质的3D结构的EPSP合成酶带状图。












ECCDNA复制子可以用作基因扩增,特征表达和基因组信息的维护和转移的载体。这辆车可以在生物技术中提供新的地平线。工程复制子的使用可能规避与传统基因组工程相关的一些问题,从而提供更快的路线,以引入作物中有利的特征。需要进一步调查来建立ECCDNA增殖的机制以及它是否与不同物种相容。

个人反应

eccdna是如何以及为什么进化的?

ECCDNA一直躲在明显的视线中。最近的发现只有一旦技术先进,就才能成为可能。我们推测这些是细胞呼吁在压力中呼吁的固有的遗传机制。利用ECCDNA的机制提供潜力,因为它们可以构成下一代除草剂和抗癌药物的目标,或者用作植物中有益特质工程的车辆。

此功能文章是通过批准的研究团队特色而创建的。这是一个协作的生产,由特色辅助,全球分销提供支持。

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