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Nature Plants:何新建實驗室发现植物DNA甲基化动态调控的新机制

發布時間:2020/07/20

2020年7月13日,北京生命科學研究所/清华大学生物医学交叉研究院何新建實驗室在Nature Plants杂志在线发表了题为“DREAM complex suppresses DNA methylation maintenance genes and precludes DNA hypermethylation”的研究论文。该研究发现了一种抑制基因组DNA过度甲基化的分子机制,并证明该机制参与DNA甲基化的动态调控。

DNA的胞嘧啶碱基上的甲基化修饰是很多真核生物中保守的表观遗传标记,在介导转座子的沉默、维持基因组稳定以及调控基因表达方面具有重要作用。植物中DNA甲基化的建立依赖RNA介导DNA甲基化通路, DRM2是该通路中起主要作用的DNA甲基转移酶。DNA甲基化建立之后,DNA甲基化的维持机制伴随DNA复制发生,负责在细胞分裂和生长发育过程中维持DNA甲基化的稳定水平。在哺乳动物中,维持性的DNA甲基转移酶DNMT1以及半甲基化DNA的结合蛋白UHRF1是负责DNA甲基化维持的核心组分。拟南芥中的MET1与VIM是哺乳动物中DNMT1和UHRF1的同源蛋白,负责CG位点上DNA甲基化的维持。 拟南芥中有一个植物特异存在的DNA甲基转移酶CMT3,它能够与Su(var)3-9型组蛋白甲基转移酶(KYP / SUVH4,SUVH5和SUVH6)协同作用,负责CHG位点上DNA甲基化的维持。植物中存在一个依赖碱基切除修复的DNA主动去甲基化通路,其中的5-甲基胞嘧啶糖基/裂解酶ROS1,DME,DML2,DML3和DML3负责在特定的组织或特异生物学过程中负责染色质上特定位置DNA甲基化的主动去除。已有的研究表明,RNA介导DNA甲基化通路以及DNA主动去甲基化通路对植物一些重要生物学过程中DNA甲基化的动态调控具有重要作用。然而,目前对其它DNA甲基化动态调控的分子机制知之甚少。

本研究利用反向遗传筛选寻找影响DNA甲基化的突变体,发现一个与动物中tesmin / TSO1类似的转录抑制因子TCX5,随后的实验证明TCX5及其同源蛋白TCX6以功能冗余的方式发挥作用(图1a-c)。进一步研究发现,TCX5/6能够直接结合到DNA甲基化维持基因(包括MET1CMT3DDM1KYPVIMs)的啓動子區域,負責抑制這些基因的表達(圖1d)。在tcx5/6雙突變體中,這些DNA甲基化維持基因的表達水平明顯增加,從而導致CG和CHG位點上的DNA甲基化在全基因組水平上顯著升高(圖1d)。這些結果表明,TCX5/6通過控制DNA甲基化維持基因的表達影響全基因組DNA甲基化水平。

图1. 转录抑制子TCX5和同源基因TCX6 调控DNA甲基化维持基因。(a, b)YJ系统中荧光素酶报告基因的表达水平。(c)YJ系统中35S-LUC启动子上甲基化水平。(d)甲基化维持基因显示在TCX5-Flag ChIP-seq 和 RNA-seq上的信号。
有趣的是,該研究比較了細胞分裂停滯的成熟葉片和細胞快速分裂的莖尖分生組織之間的DNA甲基化差異,並揭示了TCX5/6在這兩種組織DNA甲基化差異調控中所起的作用。相比于野生型的莖尖分生組織,野生型的成熟葉片中鑒定到了大量CG和CHG位點DNA甲基化降低的區域(圖2a-e)。然而,在tcx5/6雙突變體中,成熟葉片中該區域DNA甲基化水平大幅度升高,而莖尖分生組織中該區域DNA甲基化水平升高幅度較小,這導致了突變體中成熟葉片的DNA甲基化達到與莖尖分生組織相當的水平(圖2a-e)。這表明TCX5/6負責了成熟葉片和莖尖分生組織之間DNA甲基化的差異調控。



图2.  TCX5/6在成熟叶片和茎尖分生组织中DNA甲基化差异。(a)WT和tcx5/6的成熟叶片(ML)和茎尖分生组织(SAM)中甲基化水平在第三条染色体上的分布。(b)在成熟叶片和茎尖分生组织中tcx5/6相对于WT差异甲基化区域数目。(c)韦恩图显示tcx5/6介导的CG或CHG 高甲基化差异区域在茎尖分生组织和成熟叶片中的重叠。(d)tcx5/6介导的CG和CHG 高甲基化差异区域在茎尖分生组织 相对于成熟叶片中的比例。(e)tcx5/6和WT的茎尖分生组织与成熟叶片 CG和CHG  高甲基化差异区域的 DNA甲基化水平。
該研究進一步鑒定到了包含TCX5/6的多亞基複合體,該複合體在其它真核生物是保守的,被稱爲DREAM。已有研究表明,該複合體負責抑制DNA複制及細胞分裂相關基因的表達,是細胞維持分裂靜止狀態所必需。考慮到DNA甲基化的維持伴隨DNA複制發生,該研究證明了DREAM複合體協同控制DNA甲基化維持基因以及DNA複制相關基因的表達。這種協同作用一方面使不同細胞分裂狀態的組織之間DNA甲基化保持相對穩定,另一方面也對不同組織之間的DNA甲基化差異調控起到重要作用。該研究表明,除了通過RNA介導DNA甲基化通路介導DNA甲基化建立以及通過DNA主動去甲基化通路介導DNA甲基化去除,DREAM複合體通過控制DNA甲基化維持基因的表達對植物重要生物學過程中的DNA甲基化動態變化起到了至關重要的作用。鑒于DREAM複合體保守性,其對DNA甲基化的調控作用可能代表了真核生物中的保守機制。
我所何新建實驗室的博士宁永强和刘娜为该论文的共同第一作者。何新建博士为本文通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、北京市政府及深圳市政府的资助。

論文鏈接:
https://www.nature.com/articles/s41477-020-0710-7



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