研究揭示油菜同源基因共表达新机制
华中农业大学教授、崖州湾国家实验室主任科学家杨庆勇团队以四倍体油菜为研究对象，通过整合多组学数据构建全基因组转录调控网络，在此基础上提出并系统验证了“同源基因共享调控元件”的新机制，从网络结构与空间组织两个层面，为理解多倍体基因表达协同提供了关键证据。相关研究成果4月7日发表于Genome Biology。
具体而言，研究团队整合染色质可及性（ATAC-seq）、DNA甲基化以及表达数量性状位点（eQTL）等多维度数据，在全基因组范围内系统鉴定了38,068个油菜种子时期的调控元件（REs），并筛选出其中24,541个具有遗传效应的调控元件，同时建立了包含791,512个RE–基因关联的调控网络。这一高分辨率网络相当于构建了一张覆盖油菜种子发育关键阶段的“全基因组调控地图”，不仅刻画了调控元件与基因之间的复杂关系，也为后续深入解析跨染色体调控提供了重要的数据基础。
在对调控网络进行系统分析的过程中，研究发现一个具有重要生物学意义的现象：在以同源基因对为靶标的调控关系中，大量共表达的同源基因对往往受到一个或多个相同的调控元件调控，即存在“共享调控元件”的模式。进一步比较表明，共享调控元件的同源基因对，其共表达水平显著高于未共享调控元件的同源基因对。这一结果提示，同源基因之间的共表达，并不仅仅来源于基因本身的序列特征，而在很大程度上受到上游调控元件的影响。
围绕这一关键发现，研究进一步引入三维基因组学数据进行解析，揭示了其潜在的空间结构基础。分析结果表明，染色质在细胞核中的空间邻近性，是驱动跨染色体同源基因共享调控元件的重要因素。尽管这些基因在线性基因组中相距较远，但在三维空间中可能相互靠近，从而使同一调控元件能够同时作用于多个基因，实现跨染色体调控。进一步在排除序列保守性影响后发现，这种由空间结构驱动的调控效应依然显著存在，说明三维基因组结构在多倍体基因表达协调中具有独立且不可替代的作用。
在此基础上，研究提出了三种由空间邻近驱动的跨染色体同源基因共享调控元件的理论模型，其中模型1占比最高（48,040，占54.89%），模型2次之（36,491，占41.70%），模型3所占比例较低（2,981，占3.41%）。在全基因组范围内，共鉴定到5,390组同源基因对（占所有同源基因对的7.34%）参与共享调控，涉及13,208个调控元件（占总REs的34.70%），表明这一机制在油菜基因组中具有广泛分布，而非偶发事件。这不仅从数量层面验证了共享调控的普遍性，也进一步凸显了其在多倍体基因调控中的关键作用。
除了共享调控机制外，研究还系统分析了调控网络在两个亚基因组之间的结构差异。与此同时，调控元件在亚基因组之间的分布及其作用也呈现出明显不对称性。这些结果共同揭示，多倍体油菜中存在显著的亚基因组调控不对称现象，而这种不对称性在很大程度上由调控元件的分布与作用差异所驱动。
总体而言，该研究通过构建高分辨率调控网络，并结合三维基因组空间信息，从多个层面系统揭示了多倍体中同源基因协同表达的潜在机制，提出了“共享调控元件+空间邻近驱动”的新型调控模型。这不仅为解析油菜这一重要油料作物的复杂调控体系提供了关键资源，也为理解小麦、棉花等多倍体作物中的基因表达调控提供了可借鉴的理论框架。从更广泛的角度看，该研究提示，在复杂基因组背景下，基因调控需要从传统的“线性序列视角”拓展至“空间基因组视角”，这对于未来作物分子设计育种及复杂性状的精准调控具有重要启示意义。
相关论文信息：https://doi.org/10.1186/s13059-026-04047-5
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