尋找隱密的基因「暗號」

之前曾經在「大自然的諧音哏」裡面，介紹過同義突變（synonymous mutation）

-也就是改變基因序列但不影響轉譯（translation）的突變。雖然大部分的同義突變對基因的表現都不會造成影響，但是那段序列裡面如果有什麼隱藏的「暗號」，還是會對生物體產生一些影響的。

最近有一個研究，就是在研究植物芸苔素內酯受器BRI1基因裡的「暗號」。

芸苔素內酯（BR，brassinosteroid）是植物的類固醇。缺少合成芸苔素內酯的基因，植物會一直呈現「我看到光了！」的狀態：子葉開展、植株矮小，長大後仍然極小且呈現深綠色。

隨後，科學家們發現了芸苔素內酯的受器BRI1。缺少BRI1的植物比無法合成芸苔素內酯的植物更小、更綠，且對芸苔素內酯沒有反應。

BRI1（藍色）。圖片取自維基百科

後來，又有其它的科學家找到BRL1 (BRI1-Like 1)和BRL3 (BRI1-Like 3)。這兩個基因長得像BRI1，但是BRL1和BRL3的表現量較低，並且表現模式更加特異：它們主要在維管組織中表現，特別是在韌皮部和形成層中，參與維管組織的發育和分化。

過去的研究發現，brl1和brl3單突變體通常不表現明顯的生長缺陷，但是在bri1單突變體中，BRL1和BRL3可以部分補償BRI1的功能，特別是在維管組織中。另外，當這三個基因全部「不見」的時候，植物會出現很嚴重的變異性狀。

更有趣的是，之前也有人發現，在特定組織（如表皮或維管組織）中表現BRI1可以恢復bri3突變株的生長。這個發現很特別，但是與過去所知道的BRI1不一樣。

會不會是因為BRI1會以微量的形式表現，所以才會出現這些奇怪的性狀呢？研究團隊努力地想要看到BRI1的微量表現，結果發現BRI1真的在很多組織都有微量的表現！

而且，就算他們用組織特異性的啟動子（如韌皮部特異性的啟動子CVP2、CLE45等）來驅動BRI1的表現，還是照樣可以看得到BRI1的微量表現。這個表現量低到需要在不使用任何對比染色的情況下，仔細調整顯微鏡設置才能觀察到信號。

既然這個信號這麼弱，會不會根本就是「幻覺」呢？為了證明不是幻覺，研究團隊使用表皮特異性的啟動子來驅動Cas9以及針對BRI1基因的特異性引導RNA (gRNA)的表現，然後他們就可以觀察到一些表皮完全不表現BRI1，但是韌皮部仍然有BRI1的植物的性狀。

結果他們發現，失去表皮BRI1表現的植物表現出bri3樣的性狀，證明了表皮中微量BRI1表現，對植物的確很重要；而且之前看到的「微量」信號絕對不是幻覺。

那麼，到底是什麼讓BRI1可以在很多組織「偷偷」的表現呢？

研究團隊懷疑是BRI1的基因「內部」有什麼暗號，讓BRI1可以在許多組織「偷偷」表現。為了要確定這件事，研究團隊做了一個實驗。

他們用了GeneOptimizer重編碼演算法來重新設計BRI1的基因序列。重新設計的結果，他們放了738個「諧音哏」（同義突變）。BRI1有1197個胺基酸，他們把一大半都換成了諧音哏啦。

然後，他們把這個充滿了諧音哏的BRI1跟它自己的啟動子連接、進行功能驗證，確保蛋白質功能正常。然後，他們測試了在組織特異性啟動子控制下的BRI1的表現和功能。

結果，與原始BRI1不同，充滿了諧音哏的BRI1在組織特異性啟動子控制下不再顯示微量的全身表現。這也導致了它無法讓bri3突變株性狀改善，意味著原始BRI1序列中存在重要的「暗號」，讓它可以在各種組織說悄悄話。

當然，或許有讀者會覺得，一次變了738個，會不會太暴力？而且，接下來應該是要找到「暗號」在哪，但是738個候選人，這比皇帝選妃還難耶！不過，如果一個個變，恐怕也是要搞很久，全部一起來個亂槍打鳥，先確定的確有暗號，接下來再慢慢的找，也還可以啦！

參考文獻：

Blanco-Touriñán, N., Rana, S., Nolan, T. M., Li, K., Vukašinović, N., Hsu, C.-W., Russinova, E., & Hardtke, C. S. (2024). The brassinosteroid receptor gene BRI1 safeguards cell-autonomous brassinosteroid signaling across tissues. Science Advances, 10(39), eadq3352. https://doi.org/10.1126/sciadv.adq3352