【Nature Review】朱健康/张蘅综述植物表观遗传基因调控及其在作物改良中的潜在应用

学术 2024-11-15 07:28 上海

DNA甲基化，也被称为5-甲基胞嘧啶，是一种表观遗传修饰，在植物生长、发育和适应中具有重要作用。细胞DNA甲基化水平受到DNA甲基转移酶和去甲基化酶共同作用的严格调控。参与DNA甲基化靶向和蛋白质复合物已经被确定，揭示了甲基-DNA结合蛋白和分子伴侣的有趣作用。结构研究和体外重组酶系统为RNA定向DNA甲基化提供了机制见解，这是催化植物从头甲基化的主要途径。更好地理解调控机制将使DNA甲基化状态的位点特异性操作成为可能。基于CRISPR–dCas9的表观基因组编辑工具正在为此目标而开发。鉴于DNA甲基化模式可以通过减数分裂稳定地传播，并且大的表型变异可以由表观突变引起，表观基因组编辑通过在相同的遗传物质上创造额外的表型变异，在作物育种中具有很大的前景。

2024年8月27日，南方科技大学朱健康及上海交通大学张蘅共同通讯在Nature Reviews Molecular Cell Biology （IF=81）在线发表题为“Epigenetic gene regulation in plants and its potential applications in crop improvement”的综述文章，该综述讨论了植物DNA甲基化调控机制的研究进展，主要是由DNA甲基化机制的分子结构和高阶DNA甲基化突变体的表征驱动的。对多种植物的研究也揭示了DNA甲基化的新颖和多样的生物学功能。研究人员设想，这些和未来结果的综合将有助于开发适合作物育种的表观基因组编辑方法。

DNA甲基化，也被称为5-甲基胞嘧啶(5mC)，是一种表观遗传修饰，在许多真核生物中对转座子沉默、转录调控和正常生长发育至关重要。迄今为止研究的所有植物基因组都被广泛甲基化，在一些植物中，5mC占总胞嘧啶的50%。植物DNA甲基化发生在CG、CHG和CHH三种序列背景中，其中H指A、C或T。在植物基因组中，富含转座子的异染色质通常在所有序列背景中都高度甲基化。常染色臂上散发性转座子或重复序列大多被甲基化和沉默。此外，许多基因的基因体区域在CG位点发生甲基化，这与转录基因沉默无关。基因体甲基化的功能在很大程度上仍有待确定。

目前对植物DNA甲基化调控机制的认识主要来自模式生物拟南芥的研究，拟南芥含有5种功能性DNA甲基转移酶，分别是MET1、CMT2、CMT3、DRM1和DRM2。基因组DNA甲基化模式的维持需要所有这些酶。MET1可能与mCG结合蛋白VIM1、VIM2和VIM3相互作用，并在DNA复制过程中通过半保守机制催化CG甲基化。CMT3通过组蛋白H3的单甲基化和二甲基化赖氨酸9 (H3K9me1/2)的正反馈回路维持CHG甲基化，而CMT2主要在异染色质区域催化CHH甲基化，其机制与CMT3相似。DRM2及其近亲DRM1需要通过RNA介导的DNA甲基化(RdDM)来维持CHH甲基化，RdDM是一种使用非编码RNA指导从头甲基化活性的途径。DRM2也是在所有序列背景下催化从头DNA甲基化的主要DNA甲基转移酶。

RNA介导的DNA甲基化机制（图源自Nature Reviews Molecular Cell Biology ）

DNA甲基化可以通过多种方式去除。在缺乏DNA甲基转移酶活性的情况下，预先存在的DNA甲基化在每个细胞周期被稀释两倍。DNA甲基化也可以被ROS1家族的5mC DNA糖基化酶酶去除，其反应产物通过碱基切除修复(BER)途径修复，导致5mC被未甲基化的胞嘧啶取代。

植物DNA甲基化可以通过减数分裂过程稳定地传递，并介导跨代表观遗传。这与哺乳动物DNA甲基化形成对比，后者在早期胚胎发育和胚系细胞中经历全基因组重编程，因此其在跨代表观遗传中的功能尚不清楚。对多种作物的研究揭示了DNA甲基化在调控农艺性状中的重要作用。DNA甲基化变异在不改变DNA序列的情况下为作物引入了另一层可遗传变异性。在作物改良中使用DNA甲基化需要对其功能和动力学有深刻的机制理解。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41580-024-00769-1

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