作者丨小柯

北京時間2020年6月8日晚23時，《自然—植物》雜志在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心上海植物逆境生物學研究中心團隊的最新研究成果。

研究人員首次發現DNA從頭甲基化的改變也能穩定遺傳的現象，并闡明了DNA甲基化和組蛋白修飾等多種表觀遺傳修飾機制共同決定了從頭甲基化通路—RdDM依賴的表觀等位基因的形成分子機制。

中科院分子植物科學卓越創新中心上海植物逆境生物學研究中心研究員朱健康為該論文的通訊作者，博士生李靜雯為第一作者。

DNA甲基化作為真核生物中最常見的表觀遺傳修飾之一，其信息能否跨代傳遞對維持表觀基因組穩定性和表觀等位基因的形成及傳代都是至關重要的。

作為植物中的從頭甲基化通路，RNA介導的DNA甲基化(RdDM)通路負責所有序列類型（CG, CHG, CHH, H代表A, C, T）的DNA甲基化的從頭建立。

通常默認為該通路靶位點處DNA甲基化的改變是不能穩定遺傳的，但全基因組範圍内DNA從頭甲基化的跨代遺傳情況尚不清楚。

RNA聚合酶Pol IV負責産生的24-nt siRNA是RdDM途徑的關鍵一環。

該研究通過分析模式植物拟南芥Pol IV最大亞基NRPD1敲除突變體轉基因互補株系的DNA甲基化恢複情況，将RdDM靶位點分為兩類：甲基化丢失後可以恢複的CD位點和不能恢複的ND位點。

圖1 NRPD1轉基因互補株系的DNA甲基化恢複情況

生物信息學分析表明CD和ND位點的多種遺傳及表觀遺傳特征是不同的。

相較于CD位點，ND位點富含較高水平的活性染色質标記，如組蛋白H3K4me3修飾和H3K18ac修飾；另一方面，不同于ND位點在nrpd1突變體中幾乎丢失了所有序列類型的DNA甲基化，CD位點在突變體中依然保留了部分CG以及CHG甲基化。

這些特征可能導緻了他們在DNA甲基化丢失後恢複過程中的不同表現。

圖2 CD和ND位點的組蛋白修飾水平

研究人員通過敲除組蛋白H3K4甲基轉移酶将部分ND位點轉變為CD位點，證明ND位點處較高水平的H3K4me3修飾會阻礙RdDM組分的招募。

圖3 較高水平的活性染色質标記H3K4me3會阻礙RdDM組分在部分ND位點的招募

此外，敲除DNA去甲基化酶ROS1後也會導緻部分ND位點轉變為CD位點，表明較高水平的H3K18ac修飾可以通過招募DNA去甲基化酶到ND位點進行去甲基化，進而阻礙RdDM通路在此處建立DNA甲基化。

圖4 去甲基化酶ROS1在部分ND位點處拮抗RdDM介導的DNA甲基化

研究人員進一步利用CRISPR/dCas9-TET1cd表觀基因組定點編輯系統對nrpd1突變體中特定CD位點保留的mCG和mCHG進行定向去甲基化，之後即使恢複NRPD1基因的正常功能，也不能在這些位點從頭起始DNA甲基化，證明了CD位點在nrpd1突變體中保留的CG和CHG甲基化可以作為記憶标記招募RdDM組分。

圖5 CG和CHG甲基化可作為記憶标記招募RdDM組分

該研究揭示了從頭（de novo）DNA甲基化穩定遺傳的機制，為深入了解表觀等位基因的形成及穩定遺傳提供了線索。

圖6 RdDM靶位點處表觀等位基因穩定性及跨代遺傳機制

相關論文信息：

DOI：10.1038/s41477-020-0671-x

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