Nat Commun︱首次！朱健康课题组创造无DNA甲基化的植物

撰文︱何   力

责编︱王思珍 

无论是哺乳动物还是植物，其基因组上胞嘧啶碱基第5个碳原子上都存在一种叫做甲基化的表观遗传修饰。不同于哺乳动物的DNA甲基化，其主要发生在CG位点，植物的DNA甲基化更加复杂，它可以发生在CG、CHG和CHH位点（其中H是除C以外的任何碱基）。拟南芥等多种模式植物的研究，使我们对于DNA 甲基化的建立和遗传机制有了广泛而深入的认识[1]。但是，至今我们还不确定：（1）有多少个DNA甲基化转移酶参与维持植物的DNA甲基化？（2）DNA甲基化对于植物的重要性有多大？（3）没有DNA甲基化后，植物会变成什么样？

2022年3月14日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心，上海植物逆境生物学研究中心的朱健康研究组在Nature Communications杂志在线发表了题为“DNA methylation-free Arabidopsis reveals crucial roles of DNA methylation in regulating gene expression and development”的研究论文。该项研究首次创造无DNA甲基化的植物，全面揭示了DNA甲基化在植物发育和基因表达调控过程中的作用。

DNA甲基化是最为保守的表观遗传学标记之一，在多种生物学过程中至关重要，而非正常的DNA甲基化导致发育缺陷以及多种疾病甚至癌症的发生[1-3]。DNA甲基化对基因转录调控和生物个体发育的作用研究，一直是表观遗传学领域的重点和热点。在植物中，DNA甲基化以CG、CHG、CHH三种形式存在于基因组中，不同类型的DNA甲基化依赖不同的机制维持即：CG甲基化由METHYLTRANSFERASE 1 （(MET1）负责维持，CHROMOMETHYLASE 3（CMT3）和CMT2（作用较小）维持CHG甲基化，常染色质区域和异染色质区域的CHH甲基化分别由DOMAINS REARRANGED METHYLTRANSFERASE 1/2 (DRM1/2) 和CMT2维持。然而，是否这5个DNA甲基化转移酶维持植物全部的DNA甲基化，换言之是否还有其他DNA甲基化酶维持植物的DNA甲基化是不知道的。虽然DNA甲基化在植物发育以及基因表达调控过程中所起作用的研究已经很普遍了，但是前人的研究材料仅仅只是单个DNA甲基化转移酶缺失的突变体或者几个DNA甲基化转移酶缺失的多突变体，无论单个DNA甲基化酶的突变体，还是几个DNA甲基化酶的多突变体，其基因组仍然保留了很大部分的DNA甲基化，这些保留的DNA甲基化可能会掩盖很多的发现（不同类型或者不同区域的DNA甲基化之间冗余和叠加的功能）。因而，目前我们对于DNA甲基化在基因表达调控过程中作用的认识仍存在较大的局限性。

图1 mddcc突变体丢失了所有的DNA甲基化

（图源：He L et al., Nat commun, 2022）

图2 mddcc突变体的形态

（图源：He L et al., Nat commun, 2022）

以往许多研究都暗示无DNA甲基化的拟南芥是胚胎致死的[4,5]。本文作者并没有对以往文献深信不疑，而是认为以前的实验技能的局限性限制了进一步的研究。如今，随着CRISPR/Cas9编辑技术的发展，基因敲出已经变得非常容易。作者巧妙的联合经典遗传学和CRISPR/Cas9的方法同时突变了拟南芥5个已知功能的DNA甲基化转移酶，发现该突变的拟南芥竟然丢失了所有的DNA甲基化（图1），作者将此突变体命名为mddcc。因而，作者证明MET1，CMT3，CMT2，DRM1和DRM2负责维持拟南芥全部的DNA甲基化。mddcc代表第一个人造的无DNA甲基化的植物。它为研究DNA甲基化在真核生物的作用与意义打开了全新的一扇门。mddcc表现出极端的发育缺陷，包括但不限于极端的矮小、无法开花、SAM和RAM的活性受到极大的抑制（图2）。令人惊讶的是mddcc的存活时间要远远的长于野生型。这表明DNA甲基化对于拟南芥的正常发育是必须，但是对于其存活却不是必须的（图2）。因而，甲基化的胞嘧啶并不像其他碱基（腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶），它不是一个结构的遗传元件。进一步的，作者发现植物一旦丢失了所有的DNA甲基化后，基因组中大量的跳跃基因处于活跃状态，并且发生了跳跃（图3）。通过对转录组的分析发现DNA甲基化以多种方式调控基因的表达，其中剂量效应占主导（图4）。

图3 转座子在mddcc突变体中跳跃

（图源：He L et al., Nat commun, 2022）

图4 DNA甲基化以剂量效应的方式调控基因表达

（图源：He L et al., Nat commun, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

作者首次创造出了无DNA甲基化的植物，表明DNA甲基化对于拟南芥的存活不是必须的，对于DNA甲基化功能的理解有了全新的启示。无DNA甲基化的植物是研究DNA甲基化功能的卓越材料。作者利用该材料全面的研究了DNA甲基化对于拟南芥发育和基因表达调控的作用。在文章中，作者的研究是极为广泛的涉及到非常多的发育过程，但是对于精准的机制的探讨较为缺乏。未来，不同的实验室可以利用该材料针对自己感兴趣的基因或发育阶段深入的研究DNA甲基化是如何影响基因表达以及如何参与植物发育调控的。另外，DNA甲基化对于组蛋白、染色质结构以及对于三维基因组的作用是作者接下来将研究的方向。

总的来讲，该研究的发现不仅推动了我们对DNA 甲基化在植物乃至其他高等生物的基因表达调控和个体发育过程中所扮演的作用和意义的认识和理解，它还建立了一个研究DNA甲基化在特定生物学过程中作用的框架。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28940-2

中国科学院分子植物科学卓越创新中心朱健康院士（现为南方科技大学前沿生物技术研究院院长）为论文通讯作者，何力副研究员为第一作者，该工作得到国家自然科学基金和中科院的相关经费资助。

通讯作者朱健康院士（左），第一作者何力副研究员（右）

（照片提供自朱健康实验室）

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1. Zhang, H., Lang, Z. & Zhu, J. K. Dynamics and function of DNA methylation in plants. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 19, 489-506, doi:10.1038/s41580-018-0016-z (2018).

2. Law, J. A. & Jacobsen, S. E. Establishing, maintaining and modifying DNA methylation patterns in plants and animals. Nat. Rev. Genet. 11, 204-220, doi:10.1038/nrg2719 (2010).

3. Goll, M. G. & Bestor, T. H. Eukaryotic cytosine methyltransferases. Annu. Rev. Biochem. 74, 481-514, doi:10.1146/annurev.biochem.74.010904.153721 (2005).

4. Zhang, X. & Jacobsen, S. E. Genetic analyses of DNA methyltransferases in Arabidopsis thaliana. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 71, 439-447, doi:10.1101/sqb.2006.71.047 (2006).

5. Liang, W. et al. Deciphering the synergistic and redundant roles of CG and non-CG DNA methylation in plant development and transposable element silencing. New Phytol. 233, 722-737, doi:10.1111/nph.17804 (2022).

制版︱王思珍

本文完