2025 年1 月24 日，北京大学钱伟强与复旦大学李金超团队在Molecular Plant上发表了题为 DNA damage triggers heritable alterations in DNA methylation patterns in Arabidopsis 的研究论文。此研究发现了 DNA 损伤会致使基因组 DNA 甲基化修饰广泛增加这一现象，并指出该现象与细胞周期复合物 DREAM 以及 RNA-directed DNA methylation（RdDM）通路相关。
https://doi.org/10.1016/j.molp.2025.01.019
DNA 甲基化修饰（5mC）是动植物中高度保守的表观遗传机制，在维持基因组稳定性与调控基因表达方面发挥着关键作用。在植物中，DNA 甲基化水平的变化可能受环境因素调控，且这种变化可能具有遗传性，进而促使表观等位基因的形成与表型的改变。在哺乳动物细胞中，DNA 损伤被认为可能引发基因组 DNA 甲基化修饰的变异，并且与癌症和衰老紧密相关。然而，无论是在动物还是植物领域，目前都缺乏充分证据证明 DNA 损伤能够直接诱导基因组 DNA 甲基化发生变异。本研究以积累单链 DNA 损伤的植物模型为研究对象，揭示了此类损伤对基因组 DNA 甲基化水平具有显著的提升作用。研究结果显示，DNA 损伤对甲基化水平的影响程度与 DNA 损伤强度以及 DNA 损伤响应（DDR）密切相关。从机理层面而言，DNA 损伤通过调控细胞周期复合物 DREAM 复合体，致使对称性甲基化增加；并通过 RdDM 途径，导致非对称性甲基化增加。移除 DNA 损伤或抑制 DDR 途径，能够有效逆转由 DNA 损伤诱导的非对称性甲基化，而对称性 CG 甲基化则保持稳定，这凸显了其可作为遗传记忆的重要特性。综合上述发现，本研究认为 DNA 损伤是驱动植物基因组 DNA 甲基化水平及模式形成与演变的重要因素之一。植物基因组 DNA 甲基化修饰的主动擦除，是由去甲基化酶 ROS1 介导的碱基切除通路（Base excision repair，BER）来完成的。此前有报道指出，突变 BER 通路的两个关键 DNA 3'- 末端修复酶 ZDP 和 APE2，会抑制上游去甲基化酶 ROS1 的周转（turnover and processing），进而导致全基因组 5mC 水平上升 [1]。然而，zdp ape2 突变体中 5mC 上升位点仅有一半与 ros1 突变体重合，另一半 5mC 上升位点可能与 ROS1 受抑制无关，但可能与 DNA 甲基化维持蛋白 MET1 和 CMT3 的异常高表达有关 [1]。DNA 糖苷酶 FPG 通过 BER 切割 DNA 氧化和烷基化的碱基，产生 3'-blocked SSBs，这需要 ZDP、APE2 进一步修复。突变 ROS1 或者 FPG 能够减少 zdp ape2 积累的 SSBs，而 DNA 烷化剂 MMS 处理则可以增加 zdp ape2 的 SSBs [2]。在本研究中，研究人员发现 FPG 突变能够显著降低 zdp ape2 的 5mc 水平，而 MMS 处理则可以显著提高 zdp ape2 的 5mc 水平，并且这种增加依赖于 FPG。这些数据表明，zdp ape2 的 5mc 增加在一定程度上是由 zdp ape2 积累的 DNA 损伤导致的（图 1）。在 zdp ape2 中，MET1、CMT3 等 DNA 甲基化维持蛋白及其辅助蛋白的转录水平显著上升 [1]。已发表的研究表明，细胞周期复合物 DREAM 的突变会导致 MET1、CMT3 等基因表达去抑制，进而引起全基因组甲基化修饰上升 [3]。本研究发现，3'-blocked SSBs 可调控 DREAM 复合物，引发 DNA 甲基化维持蛋白及对称性的 DNA 甲基化修饰上升（图 1）。此外，3'-blocked SSBs 通过激活 SOG1 介导的 DDR，后者影响了 RdDM 通路，最终导致非对称的 CHH 甲基化修饰上升（图 1）。由于 zdp、ape2 的突变抑制了 DNA 主动去甲基化，这进一步促使了上述 DREAM 和 RdDM 引发的 5mC 在基因组上的存留 [1]。本研究进一步发现，当 3'-blocked SSBs 去除后，由其产生的 CG 和 CHG 等对称性的 DNA 甲基化能够遗传，而非对称的 CHH 甲基化则几乎消失（图 1）。这可能是因为当 DNA 损伤被移除后，维持性 DNA 甲基转移酶仍会在 DNA 复制叉处发挥作用，使得 DNA 损伤诱导的 CG 和 CHG 甲基化得以维持。然而，在缺乏 DNA 损伤或 DNA 损伤响应的情况下，RdDM 组分的激活或特异性招募可能会显著减弱。因此，不对称的 CHH 甲基化在有丝分裂过程中极易丢失（图 1）。![]()
图1：DNA损伤驱动基因组DNA甲基化的产生和演变的机理
作者简介
北京大学现代农学院钱伟强研究员和复旦大学生命科学院李金超研究员为论文的通讯作者。李金超研究员和复旦大学博士后梁文洁为论文共同第一作者，北京大学生命科学院贺新强教授参与了本研究。本研究得到了国家自然科学基金（项目号：32400245和32270288）的支持。
参考文献：
[1] Li J, Liang W, Li Y, & Qian W (2018) APURINIC/APYRIMIDINIC ENDONUCLEASE2 and ZINC FINGER DNA 3'-PHOSPHOESTERASE play overlapping roles in the maintenance of epigenome and genome stability. Plant Cell 30(9):1954-1970.[2] Li J, et al. (2022) The Arabidopsis ATR-SOG1 signaling module regulates pleiotropic developmental adjustments in response to 3'-blocked DNA repair intermediates. Plant Cell 34(2):852-866.[3] Ning, Y.Q., Liu, N., Lan, K.K., Su, Y.N., Li, L., Chen, S., and He, X.J. (2020). DREAM complex suppresses DNA methylation maintenance genes and precludes DNA hypermethylation. Nature Plants 6:942-956.
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