PNAS | 拟南芥DNA去甲基化调控机制

DNA的胞嘧啶5’甲基化修饰影响基因转录，从而调控细胞分化，转座子沉默及基因印记等生理过程【1】。DNA甲基化由甲基转移酶（methyltransferases）所催化，而去甲基化由DNA 糖苷酶（glycosylases）所介导的碱基切除修复途径所实现【2】。拟南芥中催化DNA去甲基化的DNA糖苷酶包括四个成员：DME（DEMETER），DML2（DEMETER-LIKE 2），DML3 和ROS1（REPRESSOR OF SILENCING 1）【3】。其中由DME所介导的DNA去甲基化在拟南芥配子体体发育的过程扮演者重要功能【4】，DME主要作用于雄配子体的营养核和雌配子体的中央细胞，营养核中表达的DME是花粉管萌发所必需的，花粉与中央细胞受精后形成胚乳，是胚胎发育所需营养的来源。中央细胞中的DME介导的去甲基化过程促进了胚乳中母本印记基因的表达而父本印记基因由于高度甲基化被沉默，基因印记现象对于拟南芥种子发育过程至关重要【5】。

DME偏向定位在常染色质富含AT并缺乏核小体的转座子上，同时也可以催化基因间区或者富含核小体的异染色质区域的去甲基化过程【6】，但DME被招募到不同染色质结构靶位点的具体机制还不清楚。近日来自美国北卡罗莱纳州立大学的Tzung-Fu Hsieh教授团队发现，DME的C端介导这DME在染色质上的定位和DNA去甲基化活性，而N端则通过招募染色质重塑因子促进异染色质区域的去甲基化过程。相关结果以The catalytic core of DEMETER guides active DNA demethylation in Arabidopsis 为题发表在PNAS 上。

DME的N端包含DemeN和basic stretch两个结构域，C端是催化活性中心，包含A Region，糖苷酶和B Region三个结构域。研究者将核定位信号肽与DME的C端融合构建了转基因nDME^CTD，对dme-2突变体进行回补。nDME^CTD可以恢复dme-2种子败育，花粉管萌发障碍等发育表型，并可以恢复胚乳中印记基因FIS2 和 FWA的表达。这些结果说明DME的C端催化中心可以恢复dme-2突变的表型，并介导DME在染色质上的定位。

图1：nDME^CTD互补结果分析。

接着研究者对nDME^CTD，dme-2和WT进行了胚乳的甲基化组分析。nDME^CTD和DME影响的差异甲基化区域（differentially methylated regions，DMRs)有很大的重合，但nDME^CTD互补株系并没有将dme-2的甲基化水平恢复到WT状态。进一步结合染色质特征发现，nDME^CTD的DMRs主要富集在常染色质区域，在异染色质区域则较少。组蛋白伴侣FACT复合物对于DME介导异染色质的去甲基化过程是必须的，前期的研究已揭示了FACT的大亚基SPT16可以和DME互作【7】。而nDME^CTD互补株系中依赖于FACT去甲基化位点的去甲基化过程被严重的阻碍了，进一步证实了DME通过N端与FACT互作，发挥异染色质的去甲基化过程。相比于DME，nDME^CTD的DMRs同时还出现了大量异常的基因编码区CG甲基化降低的位点。

研究者还对植物中DME家族基因的进化历史进行了分析，所有植物的DME蛋白都包含了拟南芥DME的C 端的催化活性区域的同源结构域，但非维管植物的DME缺乏了N端的DemeN和basic stretch结构域，而在更原始的藻类物种中DME的N端则包含出了Tudor和PHD等染色质修饰识别结构域。进化分析表明了开花植物N端的DemeN和basic stretch结构域是后期进化的过程中独立获得的，可能与植物的双受精及基因印记现象的出现有关。

图2：DME 介导的DNA去甲基化模型。

最后研究者提出了拟南芥DME介导DNA去甲基化的工作模型，DME的C端具有催化去甲基化的活性并帮助DME在染色质上正确的定位，而N端可以与FACT等染色质重塑因子相互作用，DME在染色质重塑因子的帮助下去除异染色质区域的DNA去甲基化，所以nDME^CTD的去甲基化主要发生在常染色质，而对异染色质区域的DNA甲基化则影响较小。综上，该研究解析了DNA糖苷酶DEMETER在不同染色质结构中发挥去甲基化功能的具体机制，更新了人们对于DNA甲基化调控过程的认识。