朱健康院士Nature子刊表观遗传学成果

　　

生物通报道：拟南芥5-甲基胞嘧啶（5mC）DNA糖基化酶的ROS1/DEMETER家族，是真核生物中第一个遗传表征的DNA去甲基化酶。然而，ROS1靶基因位点的特征还没有得到很好的理解。10月31日在《Nature Plants》发表的一项研究中，来自中科院上海植物逆境生物学中心和普渡大学的研究人员，对拟南芥Col-0和C24生态型中的ROS1靶位点进行了表征。他们发现ROS1倾向于靶定转座因子（TES）和基因间区。与大多数TEs相比，ROS1靶向TEs更接近于蛋白质编码基因，这表明ROS1可能阻止DNA甲基化从TEs扩散到附近的基因。

这项研究的通讯作者是中科院上海植物逆境生物学研究中心郎曌博研究员，其2009年本科毕业于北京师范大学，2014年在美国普渡大学获博士学位，2014年12月至2016年9月至普渡大学从事博士后研究，2016年10月至今就职于中科院上海植物逆境生物学研究中心。国际著名植物生物学家、植物抗逆分子生物学领军科学家、美国科学院院士、美国普渡大学生物化学系和园艺及园林系杰出教授，首批“****”入选者，中科院上海植物逆境生物学研究中心主任朱健康也是本文共同作者之一。相关阅读：著名学者朱健康教授发表最新Cell综述；朱健康院士PNAS发布表观遗传新成果；朱健康院士Nature子刊发表植物学新成果。

在许多真核生物中存在的一种重要表观遗传标记——5mC，参与了许多重要的生物过程，如基因印迹、基因表达的调节和基因组稳定性。在植物中，DNA甲基化通常发生在三个序列中，包括CG、CHG和CHH（H表示A、C或T）。在拟南芥中，DNA甲基化是由不同的途径建立和维持的。DNA甲基化（从头甲基化）是由结构域重排甲基转移酶2（DRM2）构建的，通过RNA指导的DNA甲基化（RdDM）通路——其中RNA聚合酶IV（Pol IV）依赖性24 nt小干扰RNAs（siRNAs）功能，来引导DRM2靶定位点。最近，有研究发现，24 nt siRNA 的Pol IV依赖性25–35 nt前体，能触发不依赖24 nt siRNA的DNA甲基化。四种不同的酶可在DNA复制后维持DNA甲基化，这取决于序列背景：mCG是由DNA甲基转移酶1（MET1）维持的，mCHG是由chromomethylase3（CMT3）维持，mCHH是由CMT2和DRM2维持。

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DNA甲基化水平是动态调节的。因为维持甲基化不足，DNA甲基化可能被动地失去，或可以通过DNA去甲基化酶而被积极地去除。在植物中，活性DNA去甲基化是由ROS1/Demeter蛋白质家族发动的。在真核生物中ROS1是第一个遗传表征的DNA去甲基化酶（在活性DNA去甲基化途径中的第一个酶）。ROS1能去除5mC碱基，并在DNA链上留下一个单核苷酸缺口，通过一条碱基切除修复途径而被非甲基化胞嘧啶填满。一个反沉默蛋白复合物——含有甲基DNA结合蛋白7（MBD7），可增加DNA甲基化1（IDM1）、IDM2和IDM3，最近被发现可调控ROS1打靶，反过来，调控DNA去甲基化。

在拟南芥中，因为增加的DNA甲基化，一些TEs在 ros1突变体中的表达水平较低。由于附近TEs 的DNA甲基化，一些基因在ros1突变体中被沉默，这表明ROS1介导的TEs去甲基化，通过阻止附近基因被沉默，而对基因表达调控非常的重要。一个拟南芥ros1/dml2/dml3 (rdd) 三突变体的甲基化组和一个ros1单突变体已经进行了分析，揭示了数以千计的基因组区域容易发生ROS1介导的活性DNA去甲基化。然而，ROS1靶标的特征尚不明确。

以往的研究指出了ROS1介导的DNA去甲基化和RdDM之间的相互作用。近年来，有研究表明，ROS1的表达受RdDM和DNA去甲基化途径的精密调控，然而，ROS1介导的DNA去甲基化和RdDM之间的全基因组相互作用，还没有得以调查。

在这项研究中，该研究小组在两个拟南芥生态型（Col-0和C24）中产生和分析了ros1突变体的DNA甲基化谱，并描述了这两个遗传背景中的ROS1靶位点。这些分析鉴定和表征了数千个由ROS1和RdDM调节的基因位点。有趣的是，通过分析ros1/nrpd1双突变体植株（它们在活性DNA去甲基化和RdDM是有缺陷的）的DNA甲基化谱，研究人员发现了数千个以前未知的RdDM靶标。

此外，该研究发现，除了对抗RdDM之外，ROS1还可以在超过一千个基因位点上对抗不依赖DNA甲基化的RdDM。这些结果对于“植物中ROS1介导的活性DNA去甲基化的全基因组效应，以及DNA去甲基化和甲基化之间的相互作用”，提供了重要的见解。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
The DNA demethylase ROS1 targets genomic regions with distinct chromatin modifications
Abstract：The Arabidopsis ROS1/DEMETER family of 5-methylcytosine (5mC) DNA glycosylases are the first genetically characterized DNA demethylases in eukaryotes. However, the features of ROS1-targeted genomic loci are not well understood. In this study, we characterized ROS1 target loci in Arabidopsis Col-0 and C24 ecotypes. We found that ROS1 preferentially targets transposable elements (TEs) and intergenic regions. Compared with most TEs, ROS1-targeted TEs are closer to protein coding genes, suggesting that ROS1 may prevent DNA methylation spreading from TEs to nearby genes. ROS1-targeted TEs are specifically enriched for H3K18Ac and H3K27me3, and depleted of H3K27me and H3K9me2. Importantly, we identified thousands of previously unknown RNA-directed DNA methylation (RdDM) targets following depletion of ROS1, suggesting that ROS1 strongly antagonizes RdDM at these loci. In addition, we show that ROS1 also antagonizes RdDM-independent DNA methylation at some loci. Our results provide important insights into the genome-wide targets of ROS1 and the crosstalk between DNA methylation and ROS1-mediated active DNA demethylation.