無心插柳柳橙汁：歪打正著的JAZ10

我們在學習生物學的時候，總會提到「大部分」的突變都對生物有害。其中有一類的突變稱為「移碼突變」（frameshift mutation），是因為刪除或加入核苷酸，造成轉譯（translation ）時無法再依照原來的方式讀密碼。

怎麼說呢？因為遺傳密碼（genetic code ）是由3個核苷酸所組成的，所以只要刪除或加入的核苷酸不是3或3的倍數，就會造成轉譯時的巨大改變。如

移碼突變。圖片作者：老葉

因為在CTC之後少了AT兩個核苷酸，導致原始的閱讀框架在LSL之後改變，產生了完全不同的胺基酸序列。

一般來說，演化為了安全，早就產生了一個機制：一但發生移碼突變，通常會很快就遇到「終止密碼」（stop codon），於是這個生物體就無法產生這個基因的產物。

但是，非常非常偶爾的時候，移碼突變後的基因，竟然可以轉譯出夠長的蛋白質，而且這個蛋白質還能夠有功能。

最近有個研究團隊，當他們在研究JAZ10在水稻防禦褐飛蝨中的作用時，他們發現，JAZ10在褐飛蝨侵襲時表現量大幅上升（超過40倍），因此他們推測JAZ10可能在防禦反應中扮演重要角色。

為了研究JAZ10在水稻的功能，他們使用CRISPR-Cas9設計了兩個目標位點，用來製作jaz10基因剔除突變株。這兩個點都在很前面的位置（大約是基因的前四分之一），目的應該是要確保會產生功能喪失的突變。

沒想到，在他們製作的的突變株（jaz10-1到jaz10-4）中，意外發現jaz10-3和jaz10-4表現出增強的生長和抗蟲性！這與其他JAZ10基因剔除後的性狀完全不同。

到底這兩個突變株發生了什麼事呢？首先他們確認這不是脫靶效應；也就是說，不是因為其他的基因突變而產生的問題。

然後，他們去看JAZ10突變後的序列。結果發現，竟然是因為CRISPR在JAZ10中造成了一個移碼的突變，而減少了AT兩個核苷酸（如上圖），轉譯並未很快就停止，而是產生了一個新的有功能的蛋白質FJ10（F是「移碼」（frameshift）的意思。這個蛋白質有180個胺基酸這麼長（JAZ10有187個胺基酸）。

原始的JAZ10有三個結構域，包括位於最前面（N端）的CMID (Cryptic MYC-interacting domain)、位在中段的TIFY motif，以及在尾端（C端）的Jas domain。

發生移碼突變後，jaz10-3產生一個有 180個胺基酸的蛋白質，而jaz10-4則產生一個有179個胺基酸的蛋白質。

所以移碼突變後產生的FJ10蛋白質在大小上與原始JAZ10非常接近（只差7-8個胺基酸），但序列內容只有前44個胺基酸保持相同（包含CMID domain），之後的序列就完全不同了。也就是說，原有的TIFY和Jas結構域都不見了。

但是，這個蛋白質還是有功能的！

這實在太奇妙了！於是他們進一步去研究FJ10的作用機制。

為了要找出與FJ10相關的基因，他們使用了它作為誘餌蛋白(bait)，對水稻的cDNA圖書館進行篩選。

結果他們找到了SLR1和FBK16，並利用多種方法進行驗證，確認它們與FJ10之間的互動是真的。

特別但不意外的是，雖然FJ10能與這些蛋白質互動，但原始的JAZ10卻不能。也就是說，新產生的序列創造了新的蛋白質互動界面（覺得有點像核分裂⋯）。

那麼，這兩個基因有什麼功能呢？SLR1 (Slender Rice 1)是水稻唯一的DELLA蛋白，它是GA訊息傳導途徑的關鍵抑制因子，對調控植物生長非常重要。

過去的研究發現，SLR1會抑制生長相關的轉錄因子（如PIFs）。在GA存在時，它會被分解，如此一來就解除了對生長的抑制。另外，它還可以透過與PIL16互動來調控生長基因（如Expansins）。

缺少它的突變株（slr1），則會展現細長的生長性狀，這也是為什麼它叫做slender rice的原因。

而FBK16 (F-box/Kelch 16)則是一個F-box型E3泛素連接酶，參與蛋白質的泛素化和分解。過去的研究發現，它負責調控PAL(Phenylalanine ammonia-lyase)的穩定性。PAL位於初級代謝與次級代謝的交界，它的功能是把芳香族胺基酸「苯丙胺酸」（phenylalanine）拿來合成酚醛類化合物（phenylpropanoids）。PAL的活性會影響木質素的生合成，進而影響對褐飛蝨的抗性。

研究團隊發現，FJ10與SLR1的互動造成SLR1-PIL16的結合受到干擾，釋放出PIL16，從而促進生長相關基因表現。

而透過與FBK16互動，FJ10會減少PAL的分解，造成木質素累積增加，從而增強了抗蟲性。

也就是說，FJ10透過干擾兩個不同的抑制因子，來同時促進生長和增強抗性。​​​​​​​​​​​​​​​​

但是，這兩個基因一個出現在細胞核，一個在細胞質。那FJ10是怎麼辦到的？

研究團隊發現，雖然原始JAZ10的定位是只出現在細胞核中，因為它是一個轉錄調控因子；但是突變後的FJ10卻同時出現在細胞核和其他細胞空間中。

也就是說，FJ10可能是因為有雙重定位，使它在細胞核中能夠與SLR1互動，在細胞質中則可以與FBK16互動，達成促進生長與增強抗病的雙重功能。

更好的是，表現FJ10的植株不僅展現更好的生長性狀（植株高度與葉鞘長度顯著增加），產量也不受到影響。

所以，研究團隊發現了一個可以同時提升水稻生長和抗蟲性的新策略。雖然一開始的出發點不是這樣，但有時「意外發現」也可能會帶來重要突破。

因此，面對預期之外的實驗結果時，保持開放和好奇的態度很重要。

最後，這個研究成果告訴我們，移碼突變有可能不只是單純的基因剔除，還可能產生新的、有功能的蛋白質！這也提醒我們，在使用CRISPR進行基因編輯時，需要考慮到各種可能的結果，不能只關注於單一（在這裡是基因剔除）的效果喔！

參考文獻：

Li, L.-L., Xiao, Y., Wang, B., Zhuang, Y., Chen, Y., Lu, J., Lou, Y., & Li, R. (2024). A frameshift mutation in JAZ10 resolves the growth versus defense dilemma in rice. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121(52), e2413564121. https://doi.org/10.1073/pnas.2413564121