朱健康院士PLOS发表植物学新研究

2015年1月8日，中科院上海生命科学研究院朱健康课题组，在国际著名学术期刊《PLOS Genetics》发表一项最新植物学研究成果，题为“An AP Endonuclease Functions in Active DNA Dimethylation and Gene Imprinting in Arabidopsis”。

　　

生物通报道：2015年1月8日，中科院上海生命科学研究院朱健康课题组，在国际著名学术期刊《PLOS Genetics》发表一项最新研究成果，题为“An AP Endonuclease Functions in Active DNA Dimethylation and Gene Imprinting in Arabidopsis”。这项研究表明，APE1L蛋白和DNA磷酸酶ZDP是胚乳中FWA及MEA基因印迹所必需的，对于种子的发育非常重要。因此，在拟南芥中，APE1L是活性DNA脱甲基途径的一个新组件，可与ZDP一起调控基因印迹。

本文通讯作者分别为中科院上海生命科学研究院朱健康院士和西班牙Córdoba大学的Teresa Roldán-Arjona。朱健康2010年当选为美国科学院院士，2011年入选首批中央“****”顶尖人才团队，中国科学院上海植物逆境生物学研究中心首席科学家。最近该课题组刚刚发表一项新成果：朱健康研究组：CRISPR/Cas系统在水稻中产生突变的机制。

DNA甲基化是一种稳定的表观遗传学标记，可调控基因组的许多方面，包括转座子沉默和基因表达。在植物中，DNA甲基化可发生在CG、CHG和CHH基序中（H代表A、T或C）。拟南芥的DNA甲基化基因组图谱显示，基因体中的甲基化，主要是在CG序列中，而转位子和其他富含重复序列的异染色质区域中的甲基化，可能存在于所有三种基序中。

然而，大量CG甲基化在基因区域中的功能仍不清楚。DNA甲基化通常与抑制转录活性的组蛋白修饰有关。DNA甲基化模式是由甲基化和脱甲基化反应协调控制的。在拟南芥中，对称的CG和CHG甲基化在DNA复制期间，可以分别通过DNA甲基转移酶1（MET1）和染色质甲基化酶3（CMT3）维持。相反，不对称的CHH甲基化不能被维持，是通过从头合成甲基化酶2（DOMAINS REARRANGED METHYLASE 2，DRM2）重新构建的，DRM2酶可以通过RNA指导的DNA甲基化（RdDM）通路，被靶定到特定序列。DNA甲基化可被活性DNA脱甲基化途径抑制，这些途径包括DNA糖基化沉默阻遏1（ROS1）、得墨忒耳（DME）、得墨忒耳样2（DML2）和得墨忒耳样3（DML3）。

ROS1、DME、DML2和DML3都是双功能的DNA糖基化酶，它们通过去除5-甲基胞嘧啶（5-meC）碱基、随后通过β- 或β, δ-elimination使磷酸二酯骨架裂解，可启动活性DNA脱甲基化作用。当β, δ-elimination发生时，会与3′-磷酸基团之间产生一个缺口。该课题组之前的研究表明，3′DNA磷酸酶ZDP可催化3′-磷酸基团转换为3′-羟基（3′-OH），从而使DNA聚合酶和连接酶活性能够填补这个缺口。β-elimination产物，与blocking 3′-phosphor-α, β-unsaturated 乙醛 (3′-PUA)之间的缺口，也必须被转换成3′-OH，以在DNA聚合酶和连接酶介导的单核苷酸插入或长片段DNA合成过程中完成脱甲基化过程。然而，在β-elimination通路ROS1和DME下游发挥作用的酶尚未确定。

ROS1突变可导致RD29A启动子驱动的一个荧光素酶报告基因以及内源RD29A基因发生甲基化和转录沉默。在数以千计的内源性基因组区域中，ROS1功能障碍也会引起DNA甲基化。在RD29A启动子区和许多内源性基因位点上，Zdp突变也显示甲基化。然而，RD29A启动子区中由zdp突变引起的甲基化，与ros1突变引起的甲基化不一样高，许多ROS1靶标在zdp突变体中没有发生甲基化。这些结果表明，在ROS1和其他DNA糖基化酶/裂解酶下游，有可能存在一种替代的、独立于XDP的DNA脱甲基化分支途径。

虽然ROS1在几乎所有植物组织中发挥功能，DME倾向于在雌配子体的中央细胞中表达，对于胚乳中的基因印迹调节是很重要的。在拟南芥中，印迹蛋白编码基因包括FWA、MEA和FIS2，并且这个列表是可扩展的。因为DNA甲基化和印记基因母系等位基因的下调，DME的功能缺失突变可导致异常的胚乳和胚胎发育。DME也是雄配子体伴细胞中DNA脱甲基化所必需的。SSRP1——一个染色质重塑蛋白，被认为是基因印迹必需的另一个因素，SSRP1突变可引起类似于DME突变引起的母系致死表型。因此，在拟南芥中，很可能作用于5-meC DNA 糖基化酶/裂解酶下游的ZDP和其他蛋白，也影响基因印迹。但有趣的是，无论ZDP突变还是DNA糖基化酶/裂解酶下游其他DNA修复酶的突变，都表现出与缺陷基因印迹有关的发育表型。

在这项研究中，研究人员描述了拟南芥APE样蛋白在ROS1产生的3′-blocking ends加工过程中的作用，并检测了ape突变诱导的甲基化组变化。研究人员发现，纯化的APE1L蛋白可以加工3′-PUA 末端产生3′-OH末端。APE1L也在3′-磷酸化末端到3′-OH末端的转换过程中，表现出弱的活性。ape1l-1突变体在数千个基因组区域中显示改变了的甲基化模式。

有趣的是，研究人员发现，ape1l+/−zdp−/−突变体是母系致死的，因此所引发的表型类似于dme突变引发的种子败育表型。印迹基因FWA和MEA的母系等位基因是甲基化的，它们在这种异常双突变种子胚乳中的表达水平降低。APE1L和DNA磷酸酶ZDP是胚乳中FWA及MEA基因印迹所必需的，对于种子的发育非常重要。因此，在拟南芥中，APE1L是活性DNA脱甲基途径的一个新组件，可与ZDP一起调控基因印迹。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
An AP Endonuclease Functions in Active DNA Dimethylation and Gene Imprinting in Arabidopsis
Abstract: Active DNA demethylation in plants occurs through base excision repair, beginning with removal of methylated cytosine by the ROS1/DME subfamily of 5-methylcytosine DNA glycosylases. Active DNA demethylation in animals requires the DNA glycosylase TDG or MBD4, which functions after oxidation or deamination of 5-methylcytosine, respectively. However, little is known about the steps following DNA glycosylase action in the active DNA demethylation pathways in plants and animals. We show here that the Arabidopsis APE1L protein has apurinic/apyrimidinic endonuclease activities and functions downstream of ROS1 and DME. APE1L and ROS1 interact in vitro and co-localize in vivo. Whole genome bisulfite sequencing of ape1l mutant plants revealed widespread alterations in DNA methylation. We show that the ape1l/zdp double mutant displays embryonic lethality. Notably, the ape1l+/−zdp−/− mutant shows a maternal-effect lethality phenotype. APE1L and the DNA phosphatase ZDP are required for FWA and MEA gene imprinting in the endosperm and are important for seed development. Thus, APE1L is a new component of the active DNA demethylation pathway and, together with ZDP, regulates gene imprinting in Arabidopsis.