朱健康院士Nature子刊表觀遺傳學成果

日期：2016-11-02 09:20:15

擬南芥5-甲基胞嘧啶（5mC）DNA糖基化酶的ROS1/DEMETER家族，是真核生物中第一個遺傳表征的DNA去甲基化酶。然而，ROS1靶基因位點的特征還沒有得到很好的理解。10月31日在《Nature Plants》發表的一項研究中，來自中科院上海植物逆境生物學中心和普渡大學的研究人員，對擬南芥Col-0和C24生態型中的ROS1靶位點進行了表征。他們發現ROS1傾向于靶定轉座因子（TES）和基因間區。與大多數TEs相比，ROS1靶向TEs更接近于蛋白質編碼基因，這表明ROS1可能阻止DNA甲基化從TEs擴散到附近的基因。

這項研究的通訊作者是中科院上海植物逆境生物學研究中心郎曌博研究員，其2009年本科畢業于北京師范大學，2014年在美國普渡大學獲博士學位，2014年12月至2016年9月至普渡大學從事博士后研究，2016年10月至今就職于中科院上海植物逆境生物學研究中心。國際著名植物生物學家、植物抗逆分子生物學領軍科學家、美國科學院院士、美國普渡大學生物化學系和園藝及園林系杰出教授，首批“千人計劃”入選者，中科院上海植物逆境生物學研究中心主任朱健康也是本文共同作者之一。

在許多真核生物中存在的一種重要表觀遺傳標記——5mC，參與了許多重要的生物過程，如基因印跡、基因表達的調節和基因組穩定性。在植物中，DNA甲基化通常發生在三個序列中，包括CG、CHG和CHH（H表示A、C或T）。在擬南芥中，DNA甲基化是由不同的途徑建立和維持的。DNA甲基化（從頭甲基化）是由結構域重排甲基轉移酶2（DRM2）構建的，通過RNA指導的DNA甲基化（RdDM）通路——其中RNA聚合酶IV（Pol IV）依賴性24 nt小干擾RNAs（siRNAs）功能，來引導DRM2靶定位點。最近，有研究發現，24 nt siRNA 的Pol IV依賴性25–35 nt前體，能觸發不依賴24 nt siRNA的DNA甲基化。四種不同的酶可在DNA復制后維持DNA甲基化，這取決于序列背景：mCG是由DNA甲基轉移酶1（MET1）維持的，mCHG是由chromomethylase3（CMT3）維持，mCHH是由CMT2和DRM2維持。

DNA甲基化水平是動態調節的。因為維持甲基化不足，DNA甲基化可能被動地失去，或可以通過DNA去甲基化酶而被積極地去除。在植物中，活性DNA去甲基化是由ROS1/Demeter蛋白質家族發動的。在真核生物中ROS1是第一個遺傳表征的DNA去甲基化酶（在活性DNA去甲基化途徑中的第一個酶）。ROS1能去除5mC堿基，并在DNA鏈上留下一個單核苷酸缺口，通過一條堿基切除修復途徑而被非甲基化胞嘧啶填滿。一個反沉默蛋白復合物——含有甲基DNA結合蛋白7（MBD7），可增加DNA甲基化1（IDM1）、IDM2和IDM3，最近被發現可調控ROS1打靶，反過來，調控DNA去甲基化。

在擬南芥中，因為增加的DNA甲基化，一些TEs在 ros1突變體中的表達水平較低。由于附近TEs 的DNA甲基化，一些基因在ros1突變體中被沉默，這表明ROS1介導的TEs去甲基化，通過阻止附近基因被沉默，而對基因表達調控非常的重要。一個擬南芥ros1/dml2/dml3 (rdd) 三突變體的甲基化組和一個ros1單突變體已經進行了分析，揭示了數以千計的基因組區域容易發生ROS1介導的活性DNA去甲基化。然而，ROS1靶標的特征尚不明確。

以往的研究指出了ROS1介導的DNA去甲基化和RdDM之間的相互作用。近年來，有研究表明，ROS1的表達受RdDM和DNA去甲基化途徑的精密調控，然而，ROS1介導的DNA去甲基化和RdDM之間的全基因組相互作用，還沒有得以調查。

在這項研究中，該研究小組在兩個擬南芥生態型（Col-0和C24）中產生和分析了ros1突變體的DNA甲基化譜，并描述了這兩個遺傳背景中的ROS1靶位點。這些分析鑒定和表征了數千個由ROS1和RdDM調節的基因位點。有趣的是，通過分析ros1/nrpd1雙突變體植株（它們在活性DNA去甲基化和RdDM是有缺陷的）的DNA甲基化譜，研究人員發現了數千個以前未知的RdDM靶標。