PNAS:上海生科院合作发表表观遗传新成果

摘要 : 来自普渡大学和中国科学院上海生命科学研究院的研究人员，发现了拟南芥中DNA甲基化和主动去甲基之间的调控链环。他们将研究结果发布在3月2日的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

来自普渡大学和中国科学院上海生命科学研究院的研究人员，发现了拟南芥中DNA甲基化和主动去甲基之间的调控链环。他们将研究结果发布在3月2日的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

任职于中科院上海生命科学研究院和普渡大学的朱健康(Jian-Kang Zhu)教授是这篇论文的通讯作者。朱教授是植物抗逆生物学领域世界级领军人物之一，其及其领导的实验室在植物抗旱、抗盐与耐低温方面的研究硕果累累，在国内外享有声誉。是首批“千人计划”入选者，现为美国普渡大学生物化学系和园艺及园林系杰出教授，2010年当选为美国国家科学院院士。

DNA甲基化是表观遗传修饰的重要形式之一，是植物中较早发现的DNA共价修饰方式。在植物的正常生长发育中，DNA甲基化与植物基因组维持、体细胞无性系变异、外来基因防御、内源基因的表达、转基因沉默以及基因印迹之间有着极大的关系。

DNA重新甲基化和主动去甲基化在控制植物全基因组DNA甲基化中发挥了重要的作用。在模式植物拟南芥中，DNA甲基化的建立主要依赖于RNA介导的DNA甲基化(RdDM)信号通路。DNA主动去甲基化则是由5-甲基胞嘧啶DNA糖基化酶的ROS1亚家族通过碱基切除修复途径所介导。然而直到现在对于细胞维持DNA甲基化和主动去甲基化活动之间平衡的机制仍知之甚少。

在这篇文章中研究人员报告称，他们在拟南芥DNA去甲基酶REPRESSOR OF SILENCING 1 (ROS1)基因的启动子中发现了一条独特的RdDM靶序列，这一序列发生DNA甲基化是维持拟南芥基因组适当DNA主动去甲基化的必要条件。在遗传筛查细胞抗沉默因子的过程中，他们分离了一些ros1突变等位基因以及许多的RdDM突变型，均显示ROS1基因表达下降，两个报告基因转录沉默。

研究人员发现，在ROS1启动子中有一个helitron转座子(transposon element，TE)负向控制了ROS1的表达，而位于ROS1 5′ UTR和启动子TE区域之间的这一RdDM靶序列发生DNA甲基化则可对抗这一helitron TE对ROS1表达的调控作用。此外，他们发现ROS1也可靶向这一RdDM靶序列，在功能缺失的ros1突变等位基因中dna去甲基化缺陷可导致这一序列超甲基化，随之引起了ROS1表达增高。

这些研究结果表明，ROS1启动子区域中的这一序列充当DNA甲基化监测序列(memS),感知了DNA的甲基化和主动去甲基化活动。因此，ROS1启动子发挥了甲基化调节装置作用，感知DNA甲基化水平并通过控制ROS1表达调控了DNA甲基化。

原文链接：Regulatory link between DNA methylation and active demethylation in Arabidopsis

De novo DNA methylation through the RNA-directed DNA methylation (RdDM) pathway and active DNAdemethylation play important roles in controlling genome-wide DNA methylation patterns in plants. Little is known about how cells manage the balance between DNA methylation and active demethylationactivities. Here, we report the identification of a unique RdDM target sequence, where DNA methylation is required for maintaining proper active DNA demethylation of the Arabidopsis genome. In a genetic screen for cellular antisilencing factors, we isolated several REPRESSOR OF SILENCING 1 (ros1) mutant alleles, as well as many RdDM mutants, which showed drastically reduced ROS1 gene expression and, consequently, transcriptional silencing of two reporter genes. A helitron transposon element (TE) in theROS1 gene promoter negatively controls ROS1 expression, whereas DNA methylation of an RdDM target sequence between ROS1 5′ UTR and the promoter TE region antagonizes this helitron TE in regulatingROS1 expression. This RdDM target sequence is also targeted by ROS1, and defective DNAdemethylation in loss-of-function ros1 mutant alleles causes DNA hypermethylation of this sequence andconcomitantly causes increased ROS1 expression. Our results suggest that this sequence in the ROS1promoter region serves as a DNA methylation monitoring sequence (MEMS) that senses DNA methylationand active DNA demethylation activities. Therefore, the ROS1 promoter functions like a thermostat (i.e., methylstat) to sense DNA methylation levels and regulates DNA methylation by controlling ROS1expression.

作者：Mingguang Lei

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