生物工程学报 袁超等/植物DNA甲基化作用机制的研究进展 Chinese Journal of Biotechnolog http://journals.im.ac.cn/cjbcn May25,2020,36(5):838-848 Do:10.13345/cb.190373 @2020 Chin J Biotech, All rights reserved ·综述 植物DNA甲基化作用机制的研究进展 袁超1,张少伟2,牛义12,汤青林μ2,魏大勇12,王志敏12 1西南大学园艺园林学院南方山地园艺学教育部重点实验室,重庆40071 2重庆市蔬菜学重点实验室,重庆400715 袁超,张少伟,牛义,等.植物DNA甲基化作用机制的研究进展.生物工程学报,2020,36(5)838-848 Yuan C, Zhang SW, Niu Y, et al. Advances in research on the mechanism of DNA methylation in plants. Chin J Biotech, 2020 36(5):838-848 摘要:DNA甲基化是表观遗传学的一种重要修饰形式,也是一种重要的基因表达调控机制。DNA甲基化的异常 模式可导致植物生长发育异常。文中从植物DNA甲基化模式入手,对DNA甲基化在调控基因表达和维持基因组 稳定性的分子功能、DNA甲基化在植物发育、参与植物对生物和非生物胁迫的反应等方面的相关研究进行回顾和 总结,为深入了解DNA甲基化的作用机制并将DNA甲基化应用于植物新品种的培育和遗传改良研究提供一定的 参考。 关键词:DNA甲基化,分子功能,植物生长,胁迫反应 Advances in research on the mechanism of DNA methylation in plants Chao Yuan", Shaowei Zhang ", Yi Niu, Qinglin Tang, Dayong Wei, and zhimin Wang I Key Laboratory of Horticulture Science for Southern Mountainous Regions Ministry of Education, College of Horticulture and Landscape Architecture, Southwest University, Chongqing 400715, China 2 Chongqing Key Laboratory of olericulture, Chongqing 400715, China Abstract: DNA methylation is an epigenetic modification that forms an important regulation mechanism of gene expression in organisms across kingdoms. Aberrant patterns of DNA methy lation can lead to plant developmental abnormalities. In this article, we briefly discuss DNA methy lation in plants and summarize its functions and biological roles in regulating gene expression and maintaining genomic stability, plant development, as well as plant responses to biotic and abiotic stresses. we intended to provide a concise reference for further understanding of the mechanism of dNa methylation and potential Received: August 20, 2019; Accepted: November 4, 2019 Supported by: National Natural Science Foundation of China(No. 31501756), Special Funds for Basic Scientific Research Business in Central olleges and Universities(No XDJK2018B039), Chongqing Foundation Research and Frontier Exploration Project (No cstc2019jcyj-msxmX0448) CorrespondingauthorsZhiminWang.Tel/fax:+86-23-68250452;E-mail:minzniwang555@163.com YiNiu.Tel/fax:+86-23-68250731;E-mail:Niuy2001134@163.com 国家自然科学基金(No.31501756),中央高校基本科研业务费专项(No.XDJK2018B039),重庆市基础研究与前沿探索专项面上项目 No.cstc20l9jcyj- msxmL04483)资助 网络出版时间:2019-11-27 网络出版地址:htp:/ kns cnki. net/kcms/ detail/1.1998q20191127.0958003html
袁超 等/植物 DNA 甲基化作用机制的研究进展 Chinese Journal of Biotechnology http://journals.im.ac.cn/cjbcn May 25, 2020, 36(5): 838−848 DOI: 10.13345/j.cjb.190373 ©2020 Chin J Biotech, All rights reserved Received: August 20, 2019; Accepted: November 4, 2019 Supported by: National Natural Science Foundation of China (No. 31501756), Special Funds for Basic Scientific Research Business in Central Colleges and Universities (No. XDJK2018B039), Chongqing Foundation Research and Frontier Exploration Project (No. cstc2019jcyj-msxmX0448). Corresponding authors: Zhimin Wang. Tel/Fax: +86-23-68250452; E-mail: minzniwang_555@163.com Yi Niu. Tel/Fax: +86-23-68250731; E-mail: Niuy2001134@163.com 国家自然科学基金 (No. 31501756)，中央高校基本科研业务费专项 (No. XDJK2018B039)，重庆市基础研究与前沿探索专项面上项目 (No. cstc2019jcyj-msxmX0448) 资助。 网络出版时间：2019-11-27 网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1998.q.20191127.0958.003.html 838 生物工程学报 植物 DNA 甲基化作用机制的研究进展 袁超 1,2，张少伟 1,2，牛义 1,2，汤青林 1,2，魏大勇 1,2，王志敏 1,2 1 西南大学 园艺园林学院 南方山地园艺学教育部重点实验室，重庆 400715 2 重庆市蔬菜学重点实验室，重庆 400715 袁超, 张少伟, 牛义, 等. 植物 DNA 甲基化作用机制的研究进展. 生物工程学报, 2020, 36(5): 838–848. Yuan C, Zhang SW, Niu Y, et al. Advances in research on the mechanism of DNA methylation in plants. Chin J Biotech, 2020, 36(5): 838–848. 摘 要: DNA 甲基化是表观遗传学的一种重要修饰形式，也是一种重要的基因表达调控机制。DNA 甲基化的异常 模式可导致植物生长发育异常。文中从植物 DNA 甲基化模式入手，对 DNA 甲基化在调控基因表达和维持基因组 稳定性的分子功能、DNA 甲基化在植物发育、参与植物对生物和非生物胁迫的反应等方面的相关研究进行回顾和 总结，为深入了解 DNA 甲基化的作用机制并将 DNA 甲基化应用于植物新品种的培育和遗传改良研究提供一定的 参考。 关键词: DNA 甲基化，分子功能，植物生长，胁迫反应 Advances in research on the mechanism of DNA methylation in plants Chao Yuan1,2, Shaowei Zhang1,2, Yi Niu1,2, Qinglin Tang1,2, Dayong Wei1,2, and Zhimin Wang1,2 1 Key Laboratory of Horticulture Science for Southern Mountainous Regions Ministry of Education, College of Horticulture and Landscape Architecture, Southwest University, Chongqing 400715, China 2 Chongqing Key Laboratory of Olericulture, Chongqing 400715, China Abstract: DNA methylation is an epigenetic modification that forms an important regulation mechanism of gene expression in organisms across kingdoms. Aberrant patterns of DNA methylation can lead to plant developmental abnormalities. In this article, we briefly discuss DNA methylation in plants and summarize its functions and biological roles in regulating gene expression and maintaining genomic stability, plant development, as well as plant responses to biotic and abiotic stresses. We intended to provide a concise reference for further understanding of the mechanism of DNA methylation and potential ·综 述·
袁超等植物DNA甲基化作用机制的研究进展 applications of epigenetic manipulation for crop improvement. Keywords: DNA methylation, molecular function, plant growth, stress DNA甲基化作为一种保守的表观遗传修饰元件相关区域形成单链RNA(sRNA),之后RNA 方式,是生物基因组中普遍存在的共价修饰方式,聚合酶RDR2以之为模板合成双链RNA( dsRNA), 可以在不改变DNA分子一级结构的情况下调节最后被DCL3(DCER- LIKE PROTEIN3)切割产 基因组的功能,在基因调控和基因组稳定性中发生24nt的 SIRNA。HENl( HUA-ENHANCER1) 挥着重要作用。大量研究表明,DNA甲基化是生是一个RNA甲基转移酶,通过对 dsRNA的3末 物体中非常重要的调控模式,其在基因表达、转端的2′-羟基进行甲基化修饰,可防止 dsRNA被 座子沉默、染色质相互作用、细胞分化以及生长其他核酸酶降解田,随后成熟的24 nt sirna与 发育过程中起着重要作用。植物DNA甲基化模AGO4( ARGONAUTE4)或AGO6结合,并与 式的改变不仅可以影响植物的花期、育性、花以POLV转录的支架RNA配对并募集结构域重排 及叶的形态等生命活动,而且在植物印记、逆境胁甲基转移酶DRM2( DOMAINS REARRANGED 迫和杂种优势等方面也发挥着一定的作用。本文 METHYLASE2),从而对 SiRNAS同源的基因组 就近些年来DNA甲基化在植物生长中的作用研究序列进行甲基化修饰。 进行总结,从而为深入研究DNA甲基化在植物生 近期研究发现,除了典型的POLⅣ-RDR2 长发育中的分子调控机制提供一些参考。 DCL3途径产生24 nt sirna外,POLⅣ的旁系同 1植物DNA甲基化模式 源物POLⅡ也能够生成 SIRNA触发非典型的 RdDM(图1)。POLⅡ介导的转录不仅可以产生 DNA甲基化通常指DNA复制后,在DNA24 nt sirnA和支架RNA,并且能够通过募集 甲基转移酶( DNA methyltransferase,DNMT)的POLⅣ和POLV在RdDM靶基因位点产生 作用下,将S-腺苷甲硫氨酸(SAM)分子上的甲sRNA。对于反式激活sRNA基因和一些转录激 基(CH3)转移到DNA的CpG两个核苷酸的胞活转座子区域,RdDM依赖于POLⅡ和RDR6而 嘧啶上进行DNA甲基化修饰,形成5甲基胞嘧不是POLⅣ和RDR26。由此可见,RdDM是 啶(5-mC)、N6-甲基腺嘌呤(N6-mA)以及7-甲一个复杂的调控网络。 基鸟嘌呤(7-mG}2。目前发现的植物甲基化主要1.2维持甲基化 有从头甲基化、维持甲基化两种模式。 维持甲基化是指在甲基化DNA半保留复制产 1.1从头甲基化 生的新生链的相应位置上进行的甲基化修饰,且新 从头甲基化( De novo methylation)是指在甲生链仅在与亲本链甲基化位置相同的碱基位置发 基化转移酶的作用下,不依赖已有的甲基化DNA生甲基化。植物DNA甲基化修饰主要发生在CG、 链而在一个新位点将DNA链中的胞嘧啶C5甲基CHG及CHH(H为A、T和G)3种序列中 化。在植物中,从头甲基化是通过RNA指导的 植物DNA甲基化的维持取决于胞嘧啶序列背 DNA甲基化(RdDM)途径介导,涉及到小干扰景,由不同调节机制的DNA甲基转移酶催化。 RNA( SiRNA)、支架RNA( scaffold rna)和一系METl( METHYLTRANSFERASE1)是最先发现的 列蛋白质(图1。在RdDM途径中,首先在RNA植物甲基化转移酶,维持基因编码区域中的CG甲 聚合酶Ⅳ(POLⅣ)的参与下富集转座子和重复基化。CMT为植物特有的甲基转移酶。拟南芥中 君:010-64807509 区: claim.accn
袁超 等/植物 DNA 甲基化作用机制的研究进展 ☏：010-64807509 ：cjb@im.ac.cn 839 applications of epigenetic manipulation for crop improvement. Keywords: DNA methylation, molecular function, plant growth, stress response DNA 甲基化作为一种保守的表观遗传修饰 方式，是生物基因组中普遍存在的共价修饰方式， 可以在不改变 DNA 分子一级结构的情况下调节 基因组的功能，在基因调控和基因组稳定性中发 挥着重要作用。大量研究表明，DNA 甲基化是生 物体中非常重要的调控模式，其在基因表达、转 座子沉默、染色质相互作用、细胞分化以及生长 发育过程中起着重要作用。植物 DNA 甲基化模 式的改变不仅可以影响植物的花期、育性、花以 及叶的形态等生命活动，而且在植物印记、逆境胁 迫和杂种优势等方面也发挥着一定的作用[1]。本文 就近些年来 DNA 甲基化在植物生长中的作用研究 进行总结，从而为深入研究 DNA 甲基化在植物生 长发育中的分子调控机制提供一些参考。 1 植物 DNA 甲基化模式 DNA 甲基化通常指 DNA 复制后，在 DNA 甲基转移酶 (DNA methyltransferase，DNMT) 的 作用下，将 S-腺苷甲硫氨酸 (SAM) 分子上的甲 基 (CH3-) 转移到 DNA 的 CpG 两个核苷酸的胞 嘧啶上进行 DNA 甲基化修饰，形成 5-甲基胞嘧 啶 (5-mC)、N6-甲基腺嘌呤 (N6-m A) 以及 7-甲 基鸟嘌呤(7-mG)[2]。目前发现的植物甲基化主要 有从头甲基化、维持甲基化两种模式。 1.1 从头甲基化 从头甲基化 (De novo methylation) 是指在甲 基化转移酶的作用下，不依赖已有的甲基化 DNA 链而在一个新位点将 DNA 链中的胞嘧啶 C5 甲基 化。在植物中，从头甲基化是通过 RNA 指导的 DNA 甲基化 (RdDM) 途径介导，涉及到小干扰 RNA (siRNA)、支架 RNA (scaffold RNA) 和一系 列蛋白质 (图 1)[3]。在 RdDM 途径中，首先在 RNA 聚合酶Ⅳ (POL Ⅳ) 的参与下富集转座子和重复 元件相关区域形成单链 RNA (ssRNA)，之后 RNA 聚合酶 RDR2 以之为模板合成双链 RNA (dsRNA)， 最后被 DCL3 (DICER-LIKE PROTEIN 3) 切割产 生 24 nt 的 siRNA。HEN1 (HUA-ENHANCER 1) 是一个 RNA 甲基转移酶，通过对 dsRNA 的 3′末 端的 2′-羟基进行甲基化修饰，可防止 dsRNA 被 其他核酸酶降解[4]，随后成熟的 24 nt siRNA 与 AGO4 (ARGONAUTE 4) 或 AGO6 结合，并与 POLⅤ转录的支架 RNA 配对并募集结构域重排 甲基转移酶 DRM2 (DOMAINS REARRANGED METHYLASE 2)，从而对 siRNAs 同源的基因组 序列进行甲基化修饰。 近期研究发现，除了典型的 POL Ⅳ-RDR2- DCL3 途径产生 24 nt siRNA 外，POL Ⅳ的旁系同 源物 POL Ⅱ也能够生成 siRNA 触发非典型的 RdDM (图 1)。POL Ⅱ介导的转录不仅可以产生 24 nt siRNA 和支架 RNA，并且能够通过募集 POL Ⅳ 和 POL Ⅴ 在 RdDM 靶基因位点产生 siRNA[5]。对于反式激活 siRNA 基因和一些转录激 活转座子区域，RdDM 依赖于 POL Ⅱ和 RDR6 而 不是 POL Ⅳ和 RDR2[6-8]。由此可见，RdDM 是 一个复杂的调控网络。 1.2 维持甲基化 维持甲基化是指在甲基化 DNA 半保留复制产 生的新生链的相应位置上进行的甲基化修饰，且新 生链仅在与亲本链甲基化位置相同的碱基位置发 生甲基化。植物 DNA 甲基化修饰主要发生在 CG、 CHG 及 CHH (H 为 A、T 和 G) 3 种序列中。 植物 DNA 甲基化的维持取决于胞嘧啶序列背 景，由不同调节机制的 DNA 甲基转移酶催化。 MET1 (METHYLTRANSFERASE 1) 是最先发现的 植物甲基化转移酶，维持基因编码区域中的 CG 甲 基化。CMT 为植物特有的甲基转移酶。拟南芥中
SSN1000-3061CN11-1998/Q生物工程学报 Chin J Biotech , O RNA methylation HIstone methylation 24-nt dsRNa RDR6 RDR2 ND2-IDP DRMZ SSRNA NAPOL PerV POL入 SWUSNE POL I-dependent siRNA POL IV-dependent siRNA POL V-mediated de novo Chromain alterations enesIs biogenesis methylation 图1植物中RNA介导的DNA甲基化途径的模型 Fig 1 RNA-directed DNA methy lation pathway model in plants. CHG甲基化的维持主要由DNA甲基转移酶CMT31.3去甲基化 ( Chromomethylase3)催化,一定程度上也由 DNA甲基化是一种可逆的表观遗传修饰。植 CMT2催化P10。此外,当主要负责维持CHG甲物基因组发生去甲基化作用可以激活处于沉默状 基化的CMT3和主要负责H3K9二甲基化作用的态的基因。DNA去甲基化分为被动和主动两种去 SUVH4(又称KYP,组蛋白甲基转移酶)丢失时会甲基化方式。DNA被动去甲基化依赖于DNA的 导致DNA甲基化水平显著下降。然而CMT3和半保留复制,是当DNA甲基化转移酶的活性受 SUVH4两种蛋白是如何相互作用来维持CHG位点到抑制或浓度偏低时,原有的甲基化胞嘧啶被未 甲基化的分子机理目前还不清楚。研究发现DRM2甲基化胞嘧啶代替,DNA甲基化水平降低的过 和CMT2维持CHH甲基化,DRM2通过RdDM途程。主动去甲基化是由DNA糖基化酶/裂解酶参 径维持RdDM靶区域的CHH甲基化,这些区域优与的特殊酶促反应,植物基因组上的5mC可以由 先位于在进化上较新的转座子、短转座子以及常染DNA糖基化酶/裂解酶ROS1家族蛋白介导切除, 色体臂中的其他重复序列和异染色质中长转座子之后再由碱基修复机制合成非甲基化胞嘧啶,从 的边缘凹2。相反,CMI2则催化含有组蛋白H1的而造成基因组的DNA去甲基化。为了鉴定新 异染色质的CHH甲基化。也有研究表明,不对称的DNA去甲基化因子,Nie等通过正向遗传筛 甲基化的维持也可能受MET1和CMT3的影响,因选体系鉴定到染色质重塑SWRl复合体中的两个 为METl维持的甲基化被SUVH2和SUVH9识别组分蛋白ARP6和PIE1,以及一些已知的DNA 后会在RdDM位点募集POLV3,而CMT3维去甲基化因子,如ROS1、IDM1和MBD7。研究 持的CHG甲基化增加H3K9me2水平,促进CMT2结果表明,由IDM1建立的乙酰化组蛋白标记可 催化的非CG甲基化0o。 以被含 bromo结构域的蛋白NPXl和 ATMBD http://jourmals.im.ac.cn/cjben
ISSN 1000-3061 CN 11-1998/Q 生物工程学报 Chin J Biotech http://journals.im.ac.cn/cjbcn 840 图 1 植物中 RNA 介导的 DNA 甲基化途径的模型 Fig. 1 RNA-directed DNA methylation pathway model in plants. CHG 甲基化的维持主要由 DNA 甲基转移酶 CMT3 (Chromomethylase 3) 催化，一定程度上也由 CMT2 催化[9-10]。此外，当主要负责维持 CHG 甲 基化的 CMT3 和主要负责 H3K9 二甲基化作用的 SUVH4 (又称 KYP，组蛋白甲基转移酶) 丢失时会 导致 DNA 甲基化水平显著下降[11]。然而 CMT3 和 SUVH4 两种蛋白是如何相互作用来维持 CHG 位点 甲基化的分子机理目前还不清楚。研究发现 DRM2 和 CMT2 维持 CHH 甲基化，DRM2 通过 RdDM 途 径维持 RdDM 靶区域的 CHH 甲基化，这些区域优 先位于在进化上较新的转座子、短转座子以及常染 色体臂中的其他重复序列和异染色质中长转座子 的边缘[12]。相反，CMT2 则催化含有组蛋白 H1 的 异染色质的 CHH 甲基化。也有研究表明，不对称 甲基化的维持也可能受 MET1 和 CMT3 的影响，因 为 MET1 维持的甲基化被 SUVH2 和 SUVH9 识别 后会在 RdDM 位点募集 POL Ⅴ[13]，而 CMT3 维 持的 CHG 甲基化增加 H3K9me2 水平，促进 CMT2 催化的非 CG 甲基化[10]。 1.3 去甲基化 DNA 甲基化是一种可逆的表观遗传修饰。植 物基因组发生去甲基化作用可以激活处于沉默状 态的基因。DNA 去甲基化分为被动和主动两种去 甲基化方式。DNA 被动去甲基化依赖于 DNA 的 半保留复制，是当 DNA 甲基化转移酶的活性受 到抑制或浓度偏低时，原有的甲基化胞嘧啶被未 甲基化胞嘧啶代替，DNA 甲基化水平降低的过 程。主动去甲基化是由 DNA 糖基化酶/裂解酶参 与的特殊酶促反应，植物基因组上的 5mC 可以由 DNA 糖基化酶/裂解酶 ROS1 家族蛋白介导切除， 之后再由碱基修复机制合成非甲基化胞嘧啶，从 而造成基因组的 DNA 去甲基化[14]。为了鉴定新 的 DNA 去甲基化因子，Nie 等[15]通过正向遗传筛 选体系鉴定到染色质重塑 SWR1 复合体中的两个 组分蛋白 ARP6 和 PIE1，以及一些已知的 DNA 去甲基化因子，如 ROS1、IDM1 和 MBD7。研究 结果表明，由 IDM1 建立的乙酰化组蛋白标记可 以被含 bromo 结构域的蛋白 NPX1 和 ATMBD9
袁超等植物DNA甲基化作用机制的研究进展841 识别,然后乙酰化的组蛋白标记物将SWRI复合的调控作用。研究发现,拟南芥组蛋白H3K27me3 体招募到染色质上去沉积HAZ;最后,在这些去甲基化酶REF6/JMJ12能够通过其自身的锌指结 特定基因组DNA区域中,H2AZ和ROS1直接相构域特异性地识别拟南芥基因组中 CTCTGYTY 互作用从而招募ROSI开始DNA主动去甲基化过基序从而去除H3K27me3/me2甲基化修饰,调控 程,同时防止高甲基化和DNA甲基化的传播。基因的时空表达水平。进一步研究发现,并非 该研究确定了由IDM复合物起始的植物DNA主所有的 CTCTGYTY基序都能够被REF6识别, 动去甲基的完整调控途径。从应用科学的角度来REF6更倾向于结合在开放的染色质区域,而不结 看,DNA去甲基化机制在保持转基因生物中的转合异染色质区域,然而这其中的分子机制尚不清 基因活性进而改善生长、耐受环境变化或预防疾楚。近期研究发现,REF6倾向于结合低甲基化水 病等过程中有十分重要的指导价值。 平的 CTCTGYTY基序,并且甲基化的DNA基序 2DNA甲基化的生物学功能 在体外系统中降低了REF6锌指结构域与DNA结 合的亲和力2。该研究揭示了DNA甲基化是调 DNA甲基化作为一种重要的染色质修饰,广控组蛋白去甲基化酶REF6在基因组中靶向的重 泛分布于异染色质区、常染色质区的转座子区和要因素,为深入开展组蛋白修饰酶类在染色质上 转录不活跃基因的启动子区,参与异染色质结构的定位和作用机制开拓了思路。 维持、转座子沉默和基因转录调控等生物学过程。2,2维持基因组稳定性 2.1调控基因表达 DNA甲基化在维持植物基因组稳定性中起 DNA甲基化可以通过改变染色质结构、DNA重要作用。植物中的DNA甲基化可以抑制转座 构象、组蛋白修饰及DNA与蛋白质的相互作用子和外源DNA的转录,减少由非等位基因易位 方式对基因的表达进行调控。研究发现,在开和重组引起的基因座破坏,从而抵抗外源基因的 花诱导通路中DNA甲基化对调控开花基因的表干扰并维持基因组的稳定。 达发挥重要作用,其中去甲基化似乎更能促进开 植物可以通过调节转座子甲基化水平有效抑 花基因的表达1小麦基因启动子区域DNA甲制转座子活性,从而阻止转座子在基因组中“跳 基化对基因的表达起调控作用,但编码区DNA跃”,进而维持基因组的稳定。在玉米基因组中 甲基化对基因表达无明显影响1。尽管启动子活性基因和无活性转座子通常被RdDM介导的 DNA甲基化通常会抑制基因转录,但在某些情况CHH甲基化岛分开,当CHH甲基化岛丢失时 下也会促进基因转录,如拟南芥的ROS基因9附近转座子中的CG和CHG位点发生低甲基化 和一些抑制番茄果实成熟的基因。由此可见 从而导致转录激活,说明玉米中的RdDM是防止 DNA甲基化在调控植物生长发育相关基因表达沉默的转座子被附近活性基因的常染色质激活所 的分子机理有所不同。 必需的。而在甜菜中沉默的转座子表现出比反 组蛋白翻译后共价修饰是表观遗传调控的重转录转座子和基因更高的CH甲基化水平24 要方式之一,通过影响染色质的状态而调控基因在刚刚完成基因组测序的茶树基因组中,研究发 表达等过程。组蛋白H3第27位赖氨酸的三甲基现相比古老的转座子的DNA甲基化,近期扩增 化修饰(H3K27me3)通过维持基因的沉默状态,的转座子呈现高甲基化的状态,表明DNA甲基 在动植物细胞命运决定以及生长发育中发挥重要化对于调控近期活跃的转座子有抑制作用。 君:010-64807509 区: claim.accn
袁超 等/植物 DNA 甲基化作用机制的研究进展 ☏：010-64807509 ：cjb@im.ac.cn 841 识别，然后乙酰化的组蛋白标记物将 SWR1 复合 体招募到染色质上去沉积 H2A.Z；最后，在这些 特定基因组 DNA 区域中，H2A.Z 和 ROS1 直接相 互作用从而招募 ROS1 开始 DNA主动去甲基化过 程，同时防止高甲基化和 DNA 甲基化的传播。 该研究确定了由 IDM 复合物起始的植物 DNA 主 动去甲基的完整调控途径。从应用科学的角度来 看，DNA 去甲基化机制在保持转基因生物中的转 基因活性进而改善生长、耐受环境变化或预防疾 病等过程中有十分重要的指导价值。 2 DNA 甲基化的生物学功能 DNA 甲基化作为一种重要的染色质修饰，广 泛分布于异染色质区、常染色质区的转座子区和 转录不活跃基因的启动子区，参与异染色质结构 维持、转座子沉默和基因转录调控等生物学过程。 2.1 调控基因表达 DNA 甲基化可以通过改变染色质结构、DNA 构象、组蛋白修饰及 DNA 与蛋白质的相互作用 方式对基因的表达进行调控[16]。研究发现，在开 花诱导通路中 DNA 甲基化对调控开花基因的表 达发挥重要作用，其中去甲基化似乎更能促进开 花基因的表达[17]。小麦基因启动子区域 DNA 甲 基化对基因的表达起调控作用，但编码区 DNA 甲基化对基因表达无明显影响[18]。尽管启动子 DNA 甲基化通常会抑制基因转录，但在某些情况 下也会促进基因转录，如拟南芥的 ROS1 基因[19] 和一些抑制番茄果实成熟的基因[20]。由此可见， DNA 甲基化在调控植物生长发育相关基因表达 的分子机理有所不同。 组蛋白翻译后共价修饰是表观遗传调控的重 要方式之一，通过影响染色质的状态而调控基因 表达等过程。组蛋白 H3 第 27 位赖氨酸的三甲基 化修饰 (H3K27me3) 通过维持基因的沉默状态， 在动植物细胞命运决定以及生长发育中发挥重要 的调控作用。研究发现，拟南芥组蛋白 H3K27me3 去甲基化酶REF6/JMJ12能够通过其自身的锌指结 构域特异性地识别拟南芥基因组中 CTCTGYTY 基序从而去除 H3K27me3/me2 甲基化修饰，调控 基因的时空表达水平[21]。进一步研究发现，并非 所有的 CTCTGYTY 基序都能够被 REF6 识别， REF6 更倾向于结合在开放的染色质区域，而不结 合异染色质区域，然而这其中的分子机制尚不清 楚。近期研究发现，REF6 倾向于结合低甲基化水 平的 CTCTGYTY 基序，并且甲基化的 DNA 基序 在体外系统中降低了 REF6 锌指结构域与 DNA 结 合的亲和力[22]。该研究揭示了 DNA 甲基化是调 控组蛋白去甲基化酶 REF6 在基因组中靶向的重 要因素，为深入开展组蛋白修饰酶类在染色质上 的定位和作用机制开拓了思路。 2.2 维持基因组稳定性 DNA 甲基化在维持植物基因组稳定性中起 重要作用。植物中的 DNA 甲基化可以抑制转座 子和外源 DNA 的转录，减少由非等位基因易位 和重组引起的基因座破坏，从而抵抗外源基因的 干扰并维持基因组的稳定。 植物可以通过调节转座子甲基化水平有效抑 制转座子活性，从而阻止转座子在基因组中“跳 跃”，进而维持基因组的稳定。在玉米基因组中， 活性基因和无活性转座子通常被 RdDM 介导的 CHH 甲基化岛分开，当 CHH 甲基化岛丢失时， 附近转座子中的 CG 和 CHG 位点发生低甲基化， 从而导致转录激活，说明玉米中的 RdDM 是防止 沉默的转座子被附近活性基因的常染色质激活所 必需的[23]。而在甜菜中沉默的转座子表现出比反 转录转座子和基因更高的 CHH 甲基化水平[24]。 在刚刚完成基因组测序的茶树基因组中，研究发 现相比古老的转座子的 DNA 甲基化，近期扩增 的转座子呈现高甲基化的状态，表明 DNA 甲基 化对于调控近期活跃的转座子有抑制作用[25]
ISSN1000-3061CN11-1998Q生物工程学报 Chin J Biotech 为了更好地利用外源DNA以及防止外源要条件时。关于植物生殖细胞是如何传递和继承 NA的入侵,生物本身不仅能够合成限制性内切DNA甲基化的也是需要进一步研究的重点。 酶对外源DNA进行酶切,还可以在自身DNA上 在DNA甲基化对果实发育的研究中发现番茄 相应的限制酶切位点进行甲基化修饰以维持其果实从裂开期到成熟红色期,甲基化水平升高 DNA完整性。此外,植物可以通过特殊的识别机当控制番茄果实发育基因的Cnr位点( Colorless 制判断外源DNA并将其甲基化来抑制外来 DNA non- ripening)发生DNA超甲基化时就会抑制番 的表达,从而减少外源DNA表达带来的危害。茄果实的成熟。此外,Wang等即研究还发现 综上所述,DNA甲基化可通过多种方式维持植物番茄果实成熟过程中的转录因子也受到DNA甲基 基因组稳定性。 化的调控,指出DNA甲基化可以通过影响转录因 3DNA甲基化对植物生长发育的作用 子多拷贝基因调控番茄果实成熟的发育。但是在其 他果实尤其是非呼吸跃变型果实中,DNA甲基化 不同时间、空间和组织中DNA甲基化表达的是否参与调控果实成熟及其调控机制还不清楚 变化是植物正常生长发育的必要条件,且甲基化水 平随着植物生长发育的进程和环境条件的改变而4DNA甲基化与植物胁迫 发生变化。异常的DNA甲基化状态会直接导致植 植物基因组DNA甲基化状态会响应生物和 株生长发育的异常,刘琼瑶等发现矮生观赏杉非生物胁迫,植物可以调整相关基因的表达状态 木的木质部DNA甲基化水平(63.52%)显著低于以应对不良的生长环境,并且由胁迫引起的大多 野生型(6751%,且矮生观赏杉木中参与促分裂 数DNA甲基化变异在世代间可稳定遗传。 原活化蛋白激酶(MAPK)级联途径的蛋白磷酸 酶IBR5( Indole-3- butyric acid response 5)基因启4.1DNA甲基化在非生物胁迫中的作用 动子区域的甲基化水平上升,推测甲基化程度的降 外界不良的环境条件如干旱、热害、冷害、 低与杉木矮生变异类型的产生有一定联系。 盐害和重金属等非生物胁迫能够诱导植物基因组 DNA甲基化的降低还可以促进植物的开花。 NA甲基化水平发生动态的变化,因此推测DNA 通过对菊花 Chrysanthemum morifolium进行甲基化是调控植物防御基因的重要因子之一。 5-azaC处理降低其甲基化水平,发现处理植株的 干旱胁迫下,水稻植株DNA甲基化水平升 开花时间提前,而其他表型性状未受影响。此高,且具有一定品种特异性和时空特异性,参与 外还发现植物能够通过DNA甲基化调控植株育抗旱胁迫性反应的DNA序列在基因编码区和非 性的表达。在亚棉A花药败育过程中,基因组编码区中CCG位点发生甲基化的概率基本相 DNA甲基化程度明显升高,推测花药败育可能受等,且非编码区以启动子区甲基化为主。袁溢 到DNA甲基化的影响。然而在小麦花药发育等通过对干旱胁追后人工合成甘蓝型油菜进 中DNA甲基化水平呈下降趋势,其中通过化杀剂行甲基化敏感多态性分析,发现其甲基化和去甲 诱导得到的不育系(1376-CIMS)可以通过外施基化水平均发生了显著的变化,推测植物的甲基 DNA甲基化抑制剂处理来恢复育性。新的研究化变化有利于提高植物的抗旱能力。但甲基化在 证实,DNA甲基化不仅在动物发育过程中被广泛植物适应长期干旱胁迫的调控机制尚不清楚。Ⅹu 重新编程,而且在开花植物生殖细胞内也经历甲基等以苹果抗旱品种“秦冠”和不抗旱品种“蜜脆 化重编程,并且甲基化重编程是细胞行使功能的必为材料,解析了苹果的甲基化组图谱,并从全基 http://jourmals.im.ac.cn/cjben
ISSN 1000-3061 CN 11-1998/Q 生物工程学报 Chin J Biotech http://journals.im.ac.cn/cjbcn 842 为了更好地利用外源 DNA 以及防止外源 DNA 的入侵，生物本身不仅能够合成限制性内切 酶对外源 DNA 进行酶切，还可以在自身 DNA 上 相应的限制酶切位点进行甲基化修饰以维持其 DNA 完整性。此外，植物可以通过特殊的识别机 制判断外源 DNA 并将其甲基化来抑制外来 DNA 的表达，从而减少外源 DNA 表达带来的危害[26]。 综上所述，DNA 甲基化可通过多种方式维持植物 基因组稳定性。 3 DNA 甲基化对植物生长发育的作用 不同时间、空间和组织中 DNA 甲基化表达的 变化是植物正常生长发育的必要条件，且甲基化水 平随着植物生长发育的进程和环境条件的改变而 发生变化。异常的 DNA 甲基化状态会直接导致植 株生长发育的异常[27-28]。刘琼瑶等发现矮生观赏杉 木的木质部 DNA 甲基化水平 (63.52%) 显著低于 野生型 (67.51%)，且矮生观赏杉木中参与促分裂 原活化蛋白激酶 (MAPK) 级联途径的蛋白磷酸 酶 IBR5 (Indole-3-butyric acid response 5) 基因启 动子区域的甲基化水平上升，推测甲基化程度的降 低与杉木矮生变异类型的产生有一定联系[29]。 DNA 甲基化的降低还可以促进植物的开花。 通过对菊花 Chrysanthemum morifolium 进 行 5-azaC 处理降低其甲基化水平，发现处理植株的 开花时间提前，而其他表型性状未受影响[30]。此 外还发现植物能够通过 DNA 甲基化调控植株育 性的表达。在亚棉 A 花药败育过程中，基因组 DNA 甲基化程度明显升高，推测花药败育可能受 到 DNA 甲基化的影响[31]。然而在小麦花药发育 中 DNA 甲基化水平呈下降趋势，其中通过化杀剂 诱导得到的不育系 (1376-CIMS) 可以通过外施 DNA 甲基化抑制剂处理来恢复育性[32]。新的研究 证实，DNA 甲基化不仅在动物发育过程中被广泛 重新编程，而且在开花植物生殖细胞内也经历甲基 化重编程，并且甲基化重编程是细胞行使功能的必 要条件[33]。关于植物生殖细胞是如何传递和继承 DNA 甲基化的也是需要进一步研究的重点。 在 DNA 甲基化对果实发育的研究中发现番茄 果实从裂开期到成熟红色期，甲基化水平升高[34]。 当控制番茄果实发育基因的 Cnr 位点 (Colorless non-ripening) 发生 DNA 超甲基化时就会抑制番 茄果实的成熟[35]。此外，Wang 等[36]研究还发现 番茄果实成熟过程中的转录因子也受到 DNA 甲基 化的调控，指出 DNA 甲基化可以通过影响转录因 子多拷贝基因调控番茄果实成熟的发育。但是在其 他果实尤其是非呼吸跃变型果实中，DNA 甲基化 是否参与调控果实成熟及其调控机制还不清楚。 4 DNA 甲基化与植物胁迫 植物基因组 DNA 甲基化状态会响应生物和 非生物胁迫，植物可以调整相关基因的表达状态 以应对不良的生长环境，并且由胁迫引起的大多 数 DNA 甲基化变异在世代间可稳定遗传。 4.1 DNA 甲基化在非生物胁迫中的作用 外界不良的环境条件如干旱、热害、冷害、 盐害和重金属等非生物胁迫能够诱导植物基因组 DNA 甲基化水平发生动态的变化，因此推测 DNA 甲基化是调控植物防御基因的重要因子之一。 干旱胁迫下，水稻植株 DNA 甲基化水平升 高，且具有一定品种特异性和时空特异性，参与 抗旱胁迫性反应的 DNA 序列在基因编码区和非 编码区中 CCGG 位点发生甲基化的概率基本相 等，且非编码区以启动子区甲基化为主[37]。袁溢 等[38]通过对干旱胁迫后人工合成甘蓝型油菜进 行甲基化敏感多态性分析，发现其甲基化和去甲 基化水平均发生了显著的变化，推测植物的甲基 化变化有利于提高植物的抗旱能力。但甲基化在 植物适应长期干旱胁迫的调控机制尚不清楚。Xu 等[39]以苹果抗旱品种“秦冠”和不抗旱品种“蜜脆” 为材料，解析了苹果的甲基化组图谱，并从全基