植物逆境中心朱健康组揭示维持DNA甲基化和基因组稳定的新机制

2021年8月27日，PNAS杂志在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心/上海植物逆境生物学研究中心朱健康研究组题为“Pathway conversion enables a double-lock mechanism to maintain DNA methylation and genome stability”的研究论文。该项研究揭示一种维持植物DNA甲基化和基因组稳定的新机制。

无论是哺乳动物还是植物，其基因组上胞嘧啶碱基第5个碳原子上都存在甲基化（-CH3）的修饰。除了正常的基因以外，基因组中还存在大量的跳跃基因，活跃的跳跃基因对于生物个体是极其危险的因为它们的移动会破坏基因组的结构。DNA甲基化修饰的核心功能就是“杀死”这些跳跃基因让它们一直处于被抑制的状态。因而，生物个体是如何维持跳跃基因上面致密的DNA甲基化修饰一直是表观遗传领域中重要的研究方向。

在植物中，多种DNA甲基化调控通路合作维持不同基因组位置的跳跃基因上致密的DNA甲基化状态。先前的发现导致一个“静止”模型被普遍接受，即基因组中给定的跳跃基因其DNA甲基化是由特定的途径维持，例如尺寸较长的跳跃基因的中间部分的CHH甲基化由CMT2维持；然而其边缘部分和短尺寸的跳跃基因的CHH甲基化则是由RNA介导的DNA甲基化（RdDM）途径维持。

不同于先前的模型，在此项研究中，研究人员发现染色质重塑因子DDM1突变后，接近1000个CMT2维持DNA甲基化的位点转变为RdDM途径维持，表明在某些情况下，对于给定位点DNA甲基化的维持并不是一层不变的而是可以灵活的转换的，因而DNA甲基化的维持途径在给定位点是可修改的。研究人员命名这个机制为CMT2-至-RdDM通路。进一步的，研究人员通过多突变体阻断CMT2到RdDM通路的转换发现大量的跳跃基因被激活并且在相应的突变体中跳跃，表明通路转换对于维持基因组的稳定是必须的。最后，研究人员提出一种“双保险”设想：RdDM通路功能缺乏时，染色质重塑因子DDM1依赖的DNA甲基化维持途径保证跳跃基因处于沉默状态；当DDM1功能缺乏时，RdDM途径包括新发现的CMT2-至-RdDM途径能够抑制跳跃基因。