形態(tài)建成（morphogenesis）首先需要關鍵基因和蛋白分布斑圖（patterning）的建立。器官形態(tài)建成過程中經(jīng)常需要維持相互拮抗的基因同時表達。相鄰分布的基因之間經(jīng)常存在相互抑制的拮抗作用，維持二者表達區(qū)域的互斥。二者又需要共同存在，不能由一方完全抑制對方。例如，植物葉片原基和花原基都劃分為近軸面和遠軸面，二者相互拮抗但同時穩(wěn)定存在。

2022年6月8日，北京大學生命科學學院焦雨鈴教授課題組與國際數(shù)學中心/定量生物學中心張磊副教授課題組在Science Advances合作發(fā)表了題為“Coactivation of antagonistic genes stabilizes polarity patterning during shoot organogenesis”（DOI:10.1126/sciadv.abn0368）的研究論文，提出了上游因子同時激活相互拮抗的下游基因能夠維持發(fā)育斑圖的穩(wěn)態(tài)。

葉片原基和花原基均在靠近分生組織的近軸面表達 REVOLUTA (REV)，在與之互補的遠軸面表達 KANADI1 (KAN1)。之前的研究早已發(fā)現(xiàn)二者互相拮抗，但卻無法解釋為何二者能夠共存，其表達區(qū)域均不會被對方擠壓而消失。

圖1. 初生原基中維持互斥的近軸面（REV）和遠軸面基因（KAN1）的表達

本研究首先模擬了可能調控機制能夠形成的發(fā)育斑圖。計算模擬表明如果只有二者的拮抗會導致 “一邊倒”的結果，僅得到單一的基因表達。之前有研究者猜測生長素作為上游信號能夠激活 REV表達并抑制 KAN1表達，但模擬表明這樣的調控會加速 “一邊倒”，使近軸面區(qū)域迅速清空遠軸面區(qū)域。因此，本研究提出了一個“蹺蹺板” 模型——生長素信號同時激活 REV和 KAN1的表達以穩(wěn)定維持兩個區(qū)域的共存，從而在理論上可以維持發(fā)育斑圖。

圖2. 計算模擬表明上游同時激活下游拮抗基因表達的蹺蹺板模型（模擬5）能夠維持發(fā)育斑圖

研究進一步通過實驗在擬南芥中驗證了所預測的調控，發(fā)現(xiàn)生長素信號通路的關鍵轉錄因子 MONOPTEROS (MP)直接激活 REV和 KAN1的表達。研究還發(fā)現(xiàn) REV作為轉錄因子直接抑制 KAN1表達。此外，研究還發(fā)現(xiàn)在以上調控網(wǎng)絡中存在更為復雜的調控。例如，REV同時激活 MP的表達，并和另一個轉錄因子 PRESSEDFLOWER (PRS)相互激活；而 PRS抑制 KAN1表達。一系列分子生物學和活體成像實驗驗證了這些調控。高級突變體、異位表達轉基因等遺傳實驗也佐證了以上調控的存在。將新發(fā)現(xiàn)的調控均加入模型后，新的模擬結果與實際基因表達斑圖更加接近。

以上研究不僅解答了葉片和花原基中近-遠軸面基因的維持機制，還從理論上提出了發(fā)育斑圖穩(wěn)態(tài)維持的新模式：上游因子同時激活相互拮抗的基因表達可以形成穩(wěn)定的發(fā)育模式。

中科院遺傳發(fā)育所關春梅副研究員和北京大學2020屆博士畢業(yè)生喬靈霞（現(xiàn)加州大學圣地亞哥分校博士后）為該論文的共同第一作者，焦雨鈴和張磊為論文的共同通訊作者。研究得到國家自然科學基金委員會、科技部重點研發(fā)計劃等項目的資助。

來源：北京大學