PNAS热点文章：表观基因组可因环境而改变

长期以来，人们普遍认为作为有机体发育关键步骤的甲基化只是静态地DNA修饰，不会随环境条件变化而改变。Salk生物研究所的研究人员发现，处于逆境下植物的DNA甲基化模式会发生变化，从而改变对基因的调控。文章发表在Proceedings of the National Academy of Sciences杂志上。

　　

生物通报道：长期以来，人们普遍认为作为有机体发育关键步骤的甲基化只是静态地DNA修饰，不会随环境条件变化而改变。Salk生物研究所的研究人员发现，处于逆境下植物的DNA甲基化模式会发生变化，从而改变对基因的调控。

科学家发现植物遭遇致病菌后，其表观遗传学密码会发生广泛的大量改变，DNA中的表观遗传学密码是协助调控基因表达一种指令信息。研究显示，这些表观遗传学改变与负责调控植物胁迫应答的基因活性有关，这说明表观基因组能帮助植物对致病菌和其他环境胁迫产生抗性。文章发表在Proceedings of the National Academy of Sciences杂志上。

“这意味着表观基因组并不只是一种静态指令，这种指令也能根据植物的经历进行重写，”该研究的领导者，Salk生物研究所基因组分析实验室的Joseph Ecker教授说。“我们的研究以及其他研究者的发现共同证明，生活经历会给DNA打下印记。”

Ecker及其同事对DNA甲基化调控拟南芥免疫系统的机制进行了研究。甲基化参与抑制整合到基因组中的“跳跃基因”转座子的表达。研究人员在Illumina平台上进行了全基因组测序，发现在植物应对细菌感染的过程中，出现了大量甲基化修饰的改变。随后他们进行了大量分析来分析这些甲基化改变调节基因表达的机制。

“此前的研究显示，有一些基因的表达与胁迫应答中甲基化改变有关，”文章第一作者Robert Dowen说。“而我们的研究发现，植物的胁迫应答引发了大量的甲基化修饰改变，从而帮助植物抵御入侵的致病菌。”

为了限制感染的致病菌生长，植物采用了一系列复杂的防御机制，激活多种激素信号来改变基因表达的网络。Salk研究所的研究成果与其他一些近期研究一致，显示植物的这些细胞防御应答通过DNA甲基化机制控制基因表达的网络。这些遗传物质的表观遗传学改变，包括DNA甲基化模式的改变和组蛋白的修饰（组蛋白在基因调节中具有关键作用），可以不改变DNA序列而对基因表达进行调控。此外，siRNA分子与DNA甲基化密切相关，尤其siRNA指导着对跳跃基因的甲基化过程。令研究者们感到惊讶的是，当植物被致病菌感染激活了特定转座子时，这些siRNA的水平也发生了改变。上述发现说明在胁迫应答中植物的表观基因组会发生变化。

Salk研究所的这项发现对农业具有广泛的意义，能引导人们对植物的DNA甲基化模式进行改造，产生抗病植株减少杀虫剂的使用。每年，致病菌造成一年生作物损失了30-40%，经济损失高达约五千亿美元，这种基因工程改造技术的应用将引起各界的强烈兴趣。

《植物生理学Plant Physiology》最近发表了一项研究指出环境条件的记忆能传递到下一代，即遭遇过致病菌的亲本植物，其子代体内天生就具备相应的防御机制。“人们并不了解这一现象，但它引起了科学家广泛的兴趣并成为了这一领域的研究热点，”Dowen说。“我们的发现提供了一个研究框架，研究者们可以进行直接检测，看我们观察到的甲基化改变是否从亲本传递给了子代，或者也可以对人类细胞进行研究看是否也存在类似机制。”

生物通编辑：叶予

生物通推荐原文摘要：

Widespread dynamic DNA methylation in response to biotic stress

Regulation of gene expression by DNA methylation is crucial for defining cellular identities and coordinating organism-wide developmental programs in many organisms. In plants, modulation of DNA methylation in response to environmental conditions represents a potentially robust mechanism to regulate gene expression networks; however, examples of dynamic DNA methylation are largely limited to gene imprinting. Here we report an unexpected role for DNA methylation in regulation of the Arabidopsis thaliana immune system. Profiling the DNA methylomes of plants exposed to bacterial pathogen, avirulent bacteria, or salicylic acid (SA) hormone revealed numerous stress-induced differentially methylated regions, many of which were intimately associated with differentially expressed genes. In response to SA, transposon-associated differentially methylated regions, which were accompanied by up-regulation of 21-nt siRNAs, were often coupled to transcriptional changes of the transposon and/or the proximal gene. Thus, dynamic DNA methylation changes within repetitive sequences or transposons can regulate neighboring genes in response to SA stress.