为植物表观遗传研究打开一扇门

曹晓枫提供图纸

DNA测序技术发明后，科学家们认为他们可以通过DNA全基因组测序来分析所有的生命密码。渐渐地，他们发现一些重要的信息并不编码在DNA序列中，即使基因序列没有改变，生物体的表型也可以改变。这种研究被称为“表观遗传学”。继传统遗传学之后，表观遗传学得到了全面发展。

中国科学院院士、中国科学院遗传与发育生物学研究所(以下简称遗传与发育研究所)研究员曹晓枫及其团队花了11年时间开辟了水稻表观遗传学研究的新方向，在组蛋白甲基化和小核糖核酸调控植物生长和转座子活性的机制研究领域取得了一系列系统的原创性成果。相关成果获得2019年国家自然科学奖二等奖。

另起炉灶

2003年6月，曹晓枫从美国加州大学洛杉矶分校来到中国科学院遗传发展研究所。作为表观遗传学研究领域的一名强有力的新人才，她在中国的研究始于一个临时的玉米储藏室。

当时，中国对植物表观遗传学的研究才刚刚开始。艰难算不了什么。启动一个新的炉子和改变方向更加困难。

刘，，一个获奖的团队成员和遗传发展研究所的副研究员，说表观遗传学主要包括三个重要的机制:DNA甲基化，组蛋白修饰和小RNA调控。DNA甲基化不仅是当时国际研究的主流，也是曹晓枫确立自己的方向。但是为了更好地区别于美国导师的研究工作，曹晓枫选择了一个“人口稀少”的地方从头开始。

组蛋白甲基化是组蛋白修饰中最重要、最复杂的修饰，在维持染色体功能和调节各种细胞生理活动中起着重要作用。组蛋白甲基化是由甲基转移酶完成的。围绕着植物中组蛋白甲基化是如何产生的问题，曹晓枫的第一个突破是建立和优化从花椰菜中分离和纯化植物组蛋白甲基转移酶的纯化方法。

回国近半年后，曹晓枫经过反复尝试、失败、调整和优化，最终建立了甲基转移酶的纯化体系，为后续一系列甲基转移酶的纯化奠定了基础。

"曹老师说那天晚上她回家后终于第一次睡着了."刘回忆说。

但是，一个新的挑战随之而来。

此前，科学家认为组蛋白甲基化是稳定且不可逆的，但在2004年，发现这一过程在哺乳动物中是可逆的，去甲基化酶是关键因素。

这是一个令人愉快的发现。因此，曹晓枫着重研究了植物组蛋白甲基化去除的重要表观遗传调控机制。获奖团队成员、遗传发展研究所研究员陆表示，他们花了2年时间首次建立了一个检测植物组蛋白去甲基化酶活性的系统，最终鉴定出了第一个植物H3K 27 E3去甲基化酶REF6，并指出它不是哺乳动物H3K 27 E3去甲基化酶的同源物，这也改变了学术界此前的猜想。

本研究阐明了组蛋白甲基化调控基因表达和植物发育的机制，填补了组蛋白修饰调控机制的空白。

“更正”转座子的名字

就团队的长期发展而言，在总体方向上布置不同的小研究方向并保持研究系统的完整性是非常重要的。曹晓枫没有“孤注一掷”。

在组蛋白甲基化研究的同时，曹晓枫的团队率先在世界范围内开展了对作物小分子核糖核酸的研究。他们阐明了小分子核糖核酸加工的关键酶——脱氧核糖核酸蛋白家族成员在各种小分子核糖核酸生物合成途径和控制水稻重要农艺性状中的功能，并揭示了小分子核糖核酸对水稻生长发育的调节作用。

随着研究的深入，他们发现转座子是小分子核糖核酸的重要来源。人类基因组的45%由转座子衍生的重复序列组成。但是在过去，转座子被认为是垃圾DNA。因为我不知道什么时候，它们会从基因组的一个位置跳到另一个位置，摧毁重要的基因。

历史上著名的女科学家麦克林托克因发现玉米中的转座子而获得1983年诺贝尔生理医学奖。然而，她的“转座子调节元件”假说还没有在基因组水平上得到证实。

曹晓枫团队的研究发现，散布在水稻基因周围的螨虫转座子可以产生小核糖核酸，并精细地调节副基因的表达。“我们第一次在全基因组水平上证实了麦克林托克的假设，指出小核糖核酸可以与转座子相互作用来调节周围基因的表达。”刘认为转座子不是垃圾DNA，它们在生物进化和环境适应中发挥着重要作用，这也从表观遗传学的角度为作物分子育种提供了新的线索和手段。

有趣的是，在研究开始时，团队的两个方向相对独立。中国科学院院士李嘉阳在接受《中国科学日报》采访时表示，随着工作的深入，曹晓枫的团队发现水稻中小RNA和组蛋白甲基化之间存在着内在的调控关系。植物组蛋白甲基化在调节转座子沉默中起着重要作用，“事实上，这是一个完全表观遗传调节机制的不同方面”。

根据李嘉阳的评价，曹晓枫团队在该领域取得的一系列系统的原创性成果，不仅为进一步揭示表观遗传调控机制在植物生长发育和环境响应中的作用奠定了基础，而且开辟了水稻表观遗传学研究的新方向，引领了学科的发展，为从表观遗传水平研究作物的重要农艺性状奠定了坚实的基础。

教育人的方法

陆是第一批加入队的学生之一。正是通过对组蛋白甲基化和去甲基化的研究，他很快成长为一名科学研究者。

在他看来，导师选择了一个全新的方向，这也意味着培养一个全新的科研团队。曹在国内外的学生中有14到5个教授，这对于一个建了16年的实验室来说是不容易的

学生们总是谈论曹晓枫的教育哲学。卢告诉《中国科学日报》:“她尊重每个人的特点，给我们很大的科研*，并愿意让我们*地做它。这不仅培养了学生独立进行科学研究的能力，也释放了学生的主动性和积极性，从而提高了学习效果。”

她一直倡导开放的科学研究文化。“曹非常重视学术同行之间的交流，并鼓励学生参加更多的学术会议，学会表达自己，即使还不够成熟，也要捕捉新的知识和想法。从某种意义上来说，这比阅读文献来了解该领域科学研究的新趋势要快。”刘还记得，相关或跨学科领域的专家经常被邀请到实验室，“特别是在我们的一些研究处于起步或中途的关键时期，为我们提供建设性的建议，帮助我们开阔思路”。

1月10日上午，国家科学技术奖励大会结束后，曹晓枫匆匆赶回遗传发展研究所，参加基因组生物学研究中心的学术年会。在陆的心目中，即使在过去这么多年里，经常晚上不回家而在沙发上醒来的仍然是实验室里最勤奋的科学家。