Genome Biology | 發現DNA甲基化對組蛋白修飾的關鍵決定作用_風聞

DNA 甲基化（5-甲基胞嘧啶）對於轉座子活性和基因表達的控制至關重要。然而，由於缺乏無 DNA 甲基化的突變體，確定 DNA 甲基化對錶觀遺傳景觀和高等生物功能的影響具有挑戰性。

2022年9月20日，原中國科學院分子植物科學卓越創新中心/中國科學院上海植物逆境生物學研究中心朱健康團隊（現單位南方科技大學）朱健康團隊和華中農業大學李國亮團隊合作在Genome Biology雜誌在線發表題為“DNA methylation underpins the epigenomic landscape regulating genome transcription in Arabidopsis”的研究論文。該研究通過分析新獲得的完全沒有 DNA 甲基化的擬南芥突變體，結果表明DNA 甲基化是組蛋白修飾的全基因組景觀的基礎，確定了DNA甲基化完全喪失對組蛋白修飾景觀的影響以及CG和非CG甲基化對該景觀的相對貢獻。

總之，這些結果提供了對 DNA 甲基化在塑造染色質狀態以確保植物中適當的轉錄控制方面關鍵貢獻的全面見解。

另外，2022年3月14日，原中國科學院分子植物科學卓越創新中心/中國科學院上海植物逆境生物學研究中心朱健康團隊（現單位南方科技大學，何力為第一作者）在Nature Communications 在線發表題為“DNA methylation-free Arabidopsis reveals crucial roles of DNA methylation in regulating gene expression and development”的研究論文，該研究敲除擬南芥中所有五種已知的 DNA 甲基轉移酶，生成無 DNA 甲基化的植物。這個五重突變體表現出一系列發育缺陷，明確表明 DNA 甲基化對植物發育的多個方面至關重要。該研究表明 CG 甲基化和非 CG 甲基化是大量生物過程所必需的，包括核內複製、細胞死亡、開花、毛狀體形態、脈管系統和分生組織發育以及根細胞命運等的確定。此外，該研究發現 DNA 甲基化對基因表達和轉座因子的抑制具有強烈的劑量依賴性影響。總之，該研究結果表明 DNA 甲基化對於擬南芥的生存是可有可無的，但對於正確調節多個生物過程至關重要（點擊閲讀）。

植物中的DNA 甲基化發生在三個序列中：CG、CHG 和CHH（H = A、T 或 C）。CG 甲基化由MET1（哺乳動物 DNMT1 的直系同源物）催化，而四種 DNA 甲基轉移酶共同負責非 CG 甲基化：CHG 和 DRM1/2（哺乳動物 DNMT3 的直系同源物）的鉻甲基化酶 CMT2 和 CMT3 以及 CHH 的CMT2。從頭 DNA 甲基化由 DRM2 通過 RNA 指導的DNA 甲基化途徑介導。 CG 和非 CG 的甲基化在許多情況下相互依賴地發生。轉座因子(transposable elements, TEs) 中存在CG 甲基化和非 CG 甲基化，而僅 CG 甲基化在基因體中普遍存在。DNA 甲基化和組蛋白修飾構成了決定轉錄活動的表觀基因組景觀。一些 DNA 甲基化相關突變體的可用性為我們瞭解擬南芥中 DNA 甲基化和組蛋白修飾之間的相互作用鋪平了道路。目前研究表明，破壞MET1導致整個基因組中 CG 甲基化的喪失並導致 H3K9me2（組蛋白 H3 賴氨酸 9 二甲基化）和H3K27me3（組蛋白H3 賴氨酸 27 三甲基化）異位獲得。在 drm1 drm2 cmt2 cmt3 (ddcc) 四倍突變植物中，其中非 CG 甲基化完全喪失，據報道 H3K9me2 被強烈減少。非 CG 甲基化和 H3K9me2 通過反饋迴路相互增強：甲基化 CHG 和 CHH 募集H3K9 特異性甲基轉移酶 SUVH4、SUVH5 和 SUVH6，反過來，H3K9me2 促進 CMT3 和 CMT2 功能以甲基化 CHG 和/或CHH 上下游。不僅如此，DNA去甲基化酶 ROS1 需要組蛋白乙酰轉移酶 IDM1 來去除某些基因組區域中的 DNA 甲基化；組蛋白去乙酰化酶 6 (histone deacetylase 6, HDA6) 與MET1 相互作用，使 DNA 甲基化；其他組蛋白標記（包括 H3K36me3、H3K27me1、H3K4me3 和 H3K27me3）的改變對 DNA 甲基化沒有顯著影響。此外，DNA甲基化對染色質的可及性有深遠的影響。然而，由於無法產生完全沒有DNA 甲基化的植物材料，因此無法全面分析DNA 甲基化對染色質狀態的貢獻程度，以及這些狀態最終如何影響基因表達。在這項研究中，為了完全消除DNA 甲基化，通過整合全基因組 DNA 甲基化和組蛋白修飾標記，以及野生型 (Col-0)、met1、ddcc和五重突變體 mddcc (met1 drm1 drm2 cmt2 cmt3)擬南芥植物的轉錄譜，發現DNA甲基化的完全喪失導致組蛋白修飾格局的劇變，包括 H3K9me2 的完全喪失以及活性和 H3K27me3 組蛋白標記的廣泛重新分佈，這主要是由於 DNA 甲基化在啓動H3K9me2 沉積中的作用並排除了活性標記和抑制標記H3K27me3；CG和非 CG 甲基化可以在某些基因組區域獨立發揮作用，而在許多其他區域協同作用。

圖1. DNA甲基化的完全喪失導致組蛋白修飾格局的劇變（圖源自Genome Biology）重要的是，研究發現在沒有 DNA 甲基化的情況下，不同組蛋白修飾在全基因組轉錄調控中的關鍵作用。揭示了活性標記促進基因組轉錄，而抑制標記 H3K27me3 彌補了整個基因組中多個轉座子家族中 DNA 高甲基化/H3K9me2 的缺乏。

圖2. DNA甲基化在組蛋白修飾和轉錄環境中的作用（圖源自Genome Biology）總的來説，這項研究結果表明，DNA 甲基化是組蛋白修飾的全基因組景觀的基礎，完整的 DNA 甲基化組構成了擬南芥表觀基因組景觀的支架，這對於受控的基因組轉錄和最終的正常生長和發育至關重要。參考消息：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-022-02768-x