Cell Research | 基因组所崔鹏团队揭示裸子植物大内含子调控新范式

2026年8月26日，中国农科院基因组所（大鹏湾实验室）崔鹏团队，联合阮珏团队和南京林业大学等单位，在《细胞研究（Cell Research）》上在线发表题为 “p-LoopF is associated with chromatin looping in large introns of Ginkgo biloba” 的研究论文。该研究首次在植物大内含子中鉴定到染色质环调控因子p-LoopF，解答了裸子植物 “大内含子对应高基因表达” 的长期科学谜题，建立了大内含子作为转录调控枢纽的全新作用模型，并提出了大内含子演化起源的 “转座子插入 - 选择性保留假说”。该成果不仅填补了植物内含子三维基因组核心调控因子研究的领域空白，更打破了 “植物内含子越短小越利于高效转录” 的传统认知，为植物基因组演化研究与作物基因工程调控元件开发提供了全新视角。

在真核生物基因组中，间隔编码序列的内含子其长度演化与功能定位，始终是基因组生物学的核心命题。长期以来，基于拟南芥、水稻等被子植物模式物种的研究，学界形成了经典共识：短小的内含子是植物适配高效基因表达的进化选择，更短的序列可降低转录能耗、加快表达进程，是植物基因结构演化的主流方向。然而这一规律在裸子植物类群中遭遇了根本性挑战：银杏、针叶树、苏铁等裸子植物基因组中存在大量超长内含子，银杏中近 15% 的内含子长度超过10 kb，苏铁中该比例更是接近30%；且多项独立研究证实，携带大内含子的基因，表达水平普遍显著高于仅含小内含子的基因。大内含子为何非但没有成为转录负担，反而与高效基因表达强相关？其背后的分子调控机制、剪接保真策略与演化驱动力，一直是植物基因组领域悬而未决的重要科学问题。

围绕这一核心谜题，研究团队以“植物活化石”银杏为研究材料，整合开放染色质图谱、高分辨率三维基因组、组蛋白修饰谱、DNA甲基化组、转录聚合酶占位谱等多维度组学技术，结合体外生化实验、体内染色质互作验证等分子生物学手段，开展了系统性机制解析。研究首先证实，银杏大内含子中富集了大量功能性开放染色质位点，经长度标准化后的密度远超拟南芥、水稻等被子植物，直接证明大内含子并非基因组冗余序列，而是蕴含丰富调控功能的核心区域。通过基序筛选、蛋白结构预测与多维度功能验证，团队鉴定到一种裸子植物特有的C2H2型锌指蛋白，并将其命名为p-LoopF。值得一提的是，该蛋白与人类重要染色质架构蛋白CTCF有约40%的序列相似性，并可特异性识别人类CTCF蛋白的结合基序。

图1 | 银杏植物特异性蛋白p-LoopF的鉴定和验证

研究表明，p-LoopF如同基因组中的“分子铆钉”，锚定在大内含子的特定位点介导短程染色质成环，将内含子内部的类增强子调控元件与基因启动子在三维空间中精准拉近，通过缩短空间距离高效招募转录聚合酶，显著提升宿主基因的转录活性。数据显示，约 30% 的大内含子基因都存在此类p-LoopF相关的染色质环，这类基因高度富集于胚胎发育、DNA 修复、基因表达调控等核心生物学通路，表达水平显著高于未成环的大内含子基因。值得关注的是，单个大内含子内的多个p-LoopF位点还可形成多级串联的环结构，通过 “接力式” 的空间折叠整合更远端的调控信号，让大内含子从过去被认为的“垃圾序列”，升级为能够汇集多类调控元件的转录调控枢纽。

图2|基于多组学数据解析银杏p-LoopF相关基因表达调控的分子机制

针对 “超长内含子长度远超常规尺度，剪接机器如何精准识别边界、避免剪接出错” 的长期疑问，研究也首次从表观遗传层面给出了系统清晰的机制解答研究首次从表观遗传层面系统解答超长内含子精准剪接机制：大内含子剪接位点周边特异性富集H3K4me1与H3K27ac，同时DNA甲基化（尤其CHG）显著降低，形成局部开放染色质环境。这种"活性修饰富集+去甲基化"组合如同分子路标，帮助剪接机器在超长序列中快速准确定位边界，大幅降低识别偏差。

图3 | 大内含子的剪接位点富集组蛋白修饰及降低的甲基化信号

在演化层面，团队结合两百余个覆盖藻类、苔藓、蕨类、裸子植物、被子植物的物种基因组开展比较分析，提出了解释大内含子起源与扩张的“转座子插入 - 选择性保留假说”：携带p-LoopF结合基序与增强子元件的转座子（以LTR类反转录转座子为主）通过“复制 - 粘贴” 机制不断插入内含子，驱动内含子长度持续扩张；由于这类插入能够提升关键功能基因的转录水平，赋予物种生长与逆境适应的进化优势，因此在长期自然选择中被定向保留。跨物种分析进一步证实，p-LoopF仅存在于具有大内含子特征的植物类群中，与大内含子的物种分布高度协同，二者呈现出鲜明的协同演化特征，也佐证了这套调控系统的功能重要性。

论文共同第一作者为基因组所（大鹏湾实验室）贺炳副研究员、青岛农大联培硕士李建阳、基因组所（大鹏湾实验室）助理研究员范伟、刘海琳副研究员。基因组所（大鹏湾实验室）崔鹏研究员、阮珏研究员、刘万飞副研究员和南京林业大学徐立安教授为论文共同通讯作者。

该研究得到了农业农村部基因数据分析重点实验室、岭南现代农业科学与技术广东省实验室的平台支持，以及生物育种国家科技重大专项和国家自然科学基金的资助支持。