Genome Biology | 发现DNA甲基化对组蛋白修饰的关键决定作用

DNA 甲基化（5-甲基胞嘧啶）对于转座子活性和基因表达的控制至关重要。然而，由于缺乏无 DNA 甲基化的突变体，确定 DNA 甲基化对表观遗传景观和高等生物功能的影响具有挑战性。

2022年9月20日，原中国科学院分子植物科学卓越创新中心/中国科学院上海植物逆境生物学研究中心朱健康团队（现单位南方科技大学）朱健康团队和华中农业大学李国亮团队合作在Genome Biology杂志在线发表题为“DNA methylation underpins the epigenomic landscape regulating genome transcription in Arabidopsis”的研究论文。该研究通过分析新获得的完全没有 DNA 甲基化的拟南芥突变体，结果表明DNA 甲基化是组蛋白修饰的全基因组景观的基础，确定了DNA甲基化完全丧失对组蛋白修饰景观的影响以及CG和非CG甲基化对该景观的相对贡献。

总之，这些结果提供了对 DNA 甲基化在塑造染色质状态以确保植物中适当的转录控制方面关键贡献的全面见解。

另外，2022年3月14日，原中国科学院分子植物科学卓越创新中心/中国科学院上海植物逆境生物学研究中心朱健康团队（现单位南方科技大学，何力为第一作者）在Nature Communications 在线发表题为“DNA methylation-free Arabidopsis reveals crucial roles of DNA methylation in regulating gene expression and development”的研究论文，该研究敲除拟南芥中所有五种已知的 DNA 甲基转移酶，生成无 DNA 甲基化的植物。这个五重突变体表现出一系列发育缺陷，明确表明 DNA 甲基化对植物发育的多个方面至关重要。该研究表明 CG 甲基化和非 CG 甲基化是大量生物过程所必需的，包括核内复制、细胞死亡、开花、毛状体形态、脉管系统和分生组织发育以及根细胞命运等的确定。此外，该研究发现 DNA 甲基化对基因表达和转座因子的抑制具有强烈的剂量依赖性影响。总之，该研究结果表明 DNA 甲基化对于拟南芥的生存是可有可无的，但对于正确调节多个生物过程至关重要（点击阅读）。

植物中的DNA 甲基化发生在三个序列中：CG、CHG 和CHH（H = A、T 或 C）。CG 甲基化由MET1（哺乳动物 DNMT1 的直系同源物）催化，而四种 DNA 甲基转移酶共同负责非 CG 甲基化：CHG 和 DRM1/2（哺乳动物 DNMT3 的直系同源物）的铬甲基化酶 CMT2 和 CMT3 以及 CHH 的CMT2。从头 DNA 甲基化由 DRM2 通过 RNA 指导的DNA 甲基化途径介导。 CG 和非 CG 的甲基化在许多情况下相互依赖地发生。转座因子(transposable elements, TEs) 中存在CG 甲基化和非 CG 甲基化，而仅 CG 甲基化在基因体中普遍存在。DNA 甲基化和组蛋白修饰构成了决定转录活动的表观基因组景观。一些 DNA 甲基化相关突变体的可用性为我们了解拟南芥中 DNA 甲基化和组蛋白修饰之间的相互作用铺平了道路。目前研究表明，破坏MET1导致整个基因组中 CG 甲基化的丧失并导致 H3K9me2（组蛋白 H3 赖氨酸 9 二甲基化）和H3K27me3（组蛋白H3 赖氨酸 27 三甲基化）异位获得。在 drm1 drm2 cmt2 cmt3 (ddcc) 四倍突变植物中，其中非 CG 甲基化完全丧失，据报道 H3K9me2 被强烈减少。非 CG 甲基化和 H3K9me2 通过反馈回路相互增强：甲基化 CHG 和 CHH 募集H3K9 特异性甲基转移酶 SUVH4、SUVH5 和 SUVH6，反过来，H3K9me2 促进 CMT3 和 CMT2 功能以甲基化 CHG 和/或CHH 上下游。不仅如此，DNA去甲基化酶 ROS1 需要组蛋白乙酰转移酶 IDM1 来去除某些基因组区域中的 DNA 甲基化；组蛋白去乙酰化酶 6 (histone deacetylase 6, HDA6) 与MET1 相互作用，使 DNA 甲基化；其他组蛋白标记（包括 H3K36me3、H3K27me1、H3K4me3 和 H3K27me3）的改变对 DNA 甲基化没有显著影响。此外，DNA甲基化对染色质的可及性有深远的影响。然而，由于无法产生完全没有DNA 甲基化的植物材料，因此无法全面分析DNA 甲基化对染色质状态的贡献程度，以及这些状态最终如何影响基因表达。在这项研究中，为了完全消除DNA 甲基化，通过整合全基因组 DNA 甲基化和组蛋白修饰标记，以及野生型 (Col-0)、met1、ddcc和五重突变体 mddcc (met1 drm1 drm2 cmt2 cmt3)拟南芥植物的转录谱，发现DNA甲基化的完全丧失导致组蛋白修饰格局的剧变，包括 H3K9me2 的完全丧失以及活性和 H3K27me3 组蛋白标记的广泛重新分布，这主要是由于 DNA 甲基化在启动H3K9me2 沉积中的作用并排除了活性标记和抑制标记H3K27me3；CG和非 CG 甲基化可以在某些基因组区域独立发挥作用，而在许多其他区域协同作用。

图1. DNA甲基化的完全丧失导致组蛋白修饰格局的剧变（图源自Genome Biology）重要的是，研究发现在没有 DNA 甲基化的情况下，不同组蛋白修饰在全基因组转录调控中的关键作用。揭示了活性标记促进基因组转录，而抑制标记 H3K27me3 弥补了整个基因组中多个转座子家族中 DNA 高甲基化/H3K9me2 的缺乏。

图2. DNA甲基化在组蛋白修饰和转录环境中的作用（图源自Genome Biology）总的来说，这项研究结果表明，DNA 甲基化是组蛋白修饰的全基因组景观的基础，完整的 DNA 甲基化组构成了拟南芥表观基因组景观的支架，这对于受控的基因组转录和最终的正常生长和发育至关重要。参考消息：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-022-02768-x