DNA甲基化抑制性别决定区的减数分裂重组

　　

10月9日，国际学术期刊Science Advances在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）徐国良研究组和中国科学院上海营养与健康研究所邵振研究组的最新合作研究成果: “DNA cytosine methylation suppresses meiotic recombination at the sex-determining region”，该研究揭示了DNA甲基化在维持性别决定区稳定性中的重要作用。

有性生殖过程中，同源重组增加了自然选择的遗传多样性，同时能够去除有害的突变。性别二态性在真核生物中广泛存在，通常由基因组中的性别决定区（sex-determining region, SDR）予以控制。为了维持性别的保真性，SDR进化出了广泛的重组抑制，这种抑制在众多物种中由不同机制调控，包括但不限于序列差异、结构重排、组蛋白修饰等等。

莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）作为一种单倍体的单细胞真核绿藻，是研究有性生殖与减数分裂的重要模式生物。衣藻的性别由mating-type locus (mt) 决定，存在两种交配型：plus与minus。MT是基因组中一段375 kb (mt+) 或211 kb (mt–) 的复杂序列，在两种交配型之间重排。此前的研究表明，重排序列对该区域的重组抑制有所贡献，但并不充分，同时两者之间的因果关系也尚不明晰。

从进化的角度来看，DNA的出现早于染色体，这意味着DNA修饰的出现可能同样早于组蛋白修饰。DNA胞嘧啶甲基化（5mC）是真核生物中常见的表观遗传修饰，在多个生物学过程中发挥着重要作用。衣藻作为进化早期兼具动植物特性的生物，其性别决定区MT的高甲基化赋予了性别维持机制新的可能。

研究人员首先鉴定了衣藻中负责细胞核DNA甲基化的胞嘧啶甲基转移酶，确认DNMT1 (Cre10.g461750) 是主要的维持性甲基转移酶，并通过实验室前期开发的CRISPR技术获得了多株dnmt1突变体。通过四分体分析，研究人员发现在减数分裂过程中，DNMT1的完全缺失会致使子代生存率降低以及生存谱式异常，并在MT发生非正常重组从而产生mixed-mt的异常子代。通过对重组频率的检测与统计，研究人员发现相较于WT × WT对照组，dnmt1 × dnmt1组别确实在高甲基化的MT发生相当比例的重组（对照组中频率为0）；而在常染色体区域，两组的重组频率不存在差异。染色质免疫共沉淀（ChIP-seq）结果显示，dnmt1突变藻株中，MT区域的H3K9me1修饰显著降低。为探究H3K9me1的降低与表型之间的关系，研究人员进一步构建了SET3（衣藻中产生H3K9me1修饰的主要甲基转移酶）敲除藻株，发现该基因的突变恰好能够模拟dnmt1突变藻株中H3K9me1的降低（总量与分布），同时并未对5mC水平造成影响。但在四分体分析检测中，set3 × set3组别未产生异常表型。这表明衣藻中5mC与H3K9me1是严格的上下游关系，组蛋白修饰的改变只是DNA甲基化改变的结果，并非产生表型的原因。衣藻中的这一发现使得研究人员推测，真核生物自20亿年前进化至今，DNA修饰或许行使了更多的功能。研究DNA甲基化在其他物种（如哺乳动物）中，是否对性别决定区的重组抑制有所贡献，对于探索表观遗传修饰的进化具有重要意义。

综上所述，该研究发现了莱茵衣藻中DNA甲基化对交配型决定区重组抑制的重要功能，揭示了性别决定区维持的新机制，拓展了DNA甲基化的生物学功能。

分子细胞卓越中心徐国良研究员、营养与健康研究所邵振研究员与分子细胞卓越中心陈辉副研究员为该论文的共同通讯作者。分子细胞卓越中心博士研究生盖彤、营养与健康研究所博士后桂秀琪、分子细胞卓越中心博士研究生徐嘉曦以及博士夏维为该论文的共同第一作者。该项工作得到了中国科学院、基金委、上海市科委等部门的经费资助，以及分子细胞卓越中心分子生物学技术平台的大力支持。

文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr2345

DNA甲基化抑制性别决定区的减数分裂重组