供稿：曾黎，武汉大学
校稿：曾黎，武汉大学
推送：曾黎，武汉大学
今天给大家分享的文章发表在Proceedings of the National Academy of Sciences上，标题为Transgenerational increases in DNA methylation in Arabidopsis plants defective in active DNA demethylation，通讯作者是南方科技大学的朱健康教授和郎曌博教授。
哺乳动物卵细胞受精后，受精卵经历表观遗传重编程，以重置从亲本基因组遗传的表观遗传信息，为后续的组织分化、胚胎发育做准备。在早期胚胎发育的DNA甲基化重编程过程中，基因组会表现出大范围的DNA去甲基化。整体去甲基化过程对早期胚胎的发育能力至关重要，多种机制参与了早期胚胎的整体去甲基化。其中一种机制涉及双加氧酶TET3，它催化5mC的氧化，导致活性去甲基化。DNA复制后DNA甲基化的维持主要依赖于DNA甲基转移酶DNMT1及其辅助蛋白UHRF1，在卵细胞和早期胚胎中的细胞质滞留被认为是这一时期基因组发生DNA被动去甲基化的主要原因。然而，DNMT1及其辅助蛋白UHRF1是如何被调控，并在DNA甲基化重编程过程中发挥适当作用的机制仍有待阐明。本文中，作者发现了一个母体因子Pramel15，Pramel15能调节胚胎细胞核内DNMT1的蛋白水平，缺乏Pramel15的小鼠胚胎在整个基因组中显示出DNA甲基化的随机增加。这些发现揭示了Pramel15可以在受精卵DNA复制过程中调节细胞核中DNMT1的水平，从而确保早期胚胎中有效的DNA甲基化重编程，本文将有助于进一步理解哺乳动物DNA甲基化重编程的复杂机制。
首先，作者使用了一种报告细胞系B2-17，该报告细胞系含有一个增强的绿色荧光蛋白编码基因，并由一个完全甲基化的CMV启动子驱动，使作者能够通过荧光信号的增加来确定甲基化的变化（图1a）。在本研究中，作者重点探讨了Pramel15在DNA甲基化调控中的潜在作用。为了研究Pramel15对DNA甲基化的影响，作者首先检测了B2-17细胞中CMV启动子的甲基化状态。亚硫酸氢盐测序分析显示，在表达Pramel15四天后，甲基化水平从92.1%下降到29.8%（图1c）。然后作者通过质谱分析来量化基因组DNA中甲基化胞嘧啶（5mC）的含量。结果显示Pramel15的表达导致5mC水平的降低（图1d），同时5hmC水平也同时下降，作者进一步发现Pramel15在DNA复制过程中可能干扰DNA甲基化维持机制，导致被动去甲基化。
图1 Pramel15的过表达导致DNA整体被动去甲基化
DNMT1和UHRF1是维持DNA甲基化不可缺少的两个因子。为了研究Pramel15是否通过影响DNMT1或UHRF1而导致DNA甲基化丢失，作者探索了它们之间潜在的相互作用。研究结果表明Pramel15与DNMT1的RFTS结构域相关，并且RFTS结构域在Pramel15介导的蛋白酶体降解中发挥着重要的作用（图2）。
图2 Pramel15与DNMT1相互作用
为了了解Pramel15促进DNMT1泛素化和降解的机制，作者使用表达Pramel15的小鼠胚胎干细胞进行免疫沉淀实验（图3）。作者构建了Cullin5敲除细胞，发现Pramel15能利用其他的Cullin复合物降解DNMT1，体现了其降解DNMT1能力的稳定性。同时，作者发现其他几种Cullin蛋白，包括Cul1、Cul2、Cul3、Cul4A、Cul5都与Pramel15表现出不同程度的相互作用（图3）。上述结果说明Cullin-RING泛素连接酶家族多个蛋白都参与pramel15诱导的DNMT1降解。
图3 Cullin-RING泛素连接酶参与Pramel15介导的DNMT1降解
为了探索Pramel15在调节DNMT1水平中的作用，作者进一步通过定量分析，发现Pramel15缺陷受精卵的雄性和雌性原核中DNMT1水平均显著增加（图4）。说明Pramel15可以调节受精卵核中DNMT1的水平。由于Pramel15敲除导致受精卵核DNMT1水平升高，作者研究了这是否对DNA甲基化有任何影响。作者对卵细胞、受精卵和二细胞胚胎进行了DNA甲基化测序。观察到Pramel15缺失会引起全基因组范围DNA甲基化的随机性上升。值得注意的是，DNA甲基化水平的增加也与基因组中DNMT1水平的增加呈正相关，因此，DNMT1有介导DNA甲基化升高的功能作用。
图4 Pramel15缺陷受精卵的雄性和雌性原核中DNMT1水平均显著增加
综上所述，本研究发现在早期胚胎发育过程中，除了将DNMT1和UHRF1转运并限制在细胞质中，细胞核中还存在着Pramel15介导的DNMT1蛋白水平控制机制，对DNA甲基化重编程效率进行调控。这一发现体现了早期胚胎中DNA甲基化重编程调控机制的复杂性，也为提高诱导细胞重编程效率等提供了启发。
文章编号：421
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-51614-0
原文引用：
Jiajun Tan#, Yingfeng Li#, Xiang Li, Xiaoxiao Zhu, Liping Liu, Hua Huang, Jiahua Wei, Hailing Wang, Yong Tian, Zhigao Wang, Zhuqiang Zhang* and Bing Zhu*. Pramel15 facilitates zygotic nuclear DNMT1 degradation and DNA demethylation. Nat. Commun., 2024, 15:7310.（#为共同第一作者）
