Science Adv 北京大学钱伟强/贺新强组揭示DNA主动去甲基化在维管发育中起作用

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2020年6月26日，Science Advances杂志在线发表来自北京大学生命科学学院钱伟强课题组联合贺新强课题组合作题为“Active DNA demethylation regulates tracheary element differentiation inArabidopsis”的研究论文。该研究借助独特的拟南芥管状分子异位诱导系统VISUAL（Vascular Induced System Using Arabidopsis Leaves），通过一系列的甲基化组和转录组分析，确定了DNA主动去甲基化在维管发育中的作用，并揭示了木质部管状分子分化的表观遗传调控机制。

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DNA甲基化（5-methylcytosine，5mC）是一种植物和动物保守的用来沉默转座子并调节基因表达的表观遗传修饰。DNA甲基化模式可以通过DNA被动或主动去甲基化来改变，过去的研究证据表明，DNA去甲基化参与调节植物发育，但具体作用仍然知之甚少。在维管植物中，木质部负责水分运输并提供机械支撑。木质部由管状分子（tracheary element, TE）、薄壁组织细胞和纤维组成。TE的分化依赖复杂的转录因子调节网络以确保木质部组织正常发育，尽管已有众多发现，但表观遗传调控的机制（如DNA甲基化的变化）是否参与管状分子分化尚不清楚。在TE分化过程中，全基因组范围内DNA甲基化发生重编程：在近着丝粒区域的CHH类型DNA甲基化发现了广泛的去甲基化，在基因组不同区域的CG、CHG和CHH序列中同样发现了DNA去甲基化。虽然近着丝粒区域甲基化的降低是被动发生的，但基因组中分散区域的DNA去甲基化依赖于由DNA糖基化酶ROS1、DML2和DML3（简称RDD）引发的DNA主动去甲基化。

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被动和主动DNA去甲基参与异位TE分化重要的是，遗传分析表明，在DNA去甲基化酶的三突变体(rdd-2)中，体外系统发现TE分化过程会收到损伤，并在体内实验表明（拟南芥幼苗的根中）引起有木质部发育缺陷的表型，并且通过敲除RdDM途径的核心蛋白复合体Pol IV和Pol V的关键亚基，能部分回复幼根的维管发育缺陷。DNA主动去甲基化靶向作用并调节TE分化相关的许多基因，rdd-2中木质部发育的缺陷是由多个基因的失调引起的。此外，对Col-0野生型和rdd突变体背景的TE分化过程甲基化组和转录组的综合分析发现由DNA主动去甲基化调节的TE分化相关基因。

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DNA主动去甲基化突变体的木质部发育的表型综上所述本研究突出了RDD引发的DNA主动去甲基化在植物发育中的新功能，并提供了通过表观遗传调控机制调控TE分化的新见解（如下图所示）。

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图1. DNA主动去甲基化在木质部由管状分子分化中作用的工作模型。ROS1、DML2和DML3介导的DNA主动去甲基化拮抗RNA介导的DNA甲基化(RdDM)途径调节参与TE分化的基因表达。
钱伟强研究员和贺新强教授为本论文的共同通讯作者，贺新强实验室已毕业的林薇博士、钱伟强实验室的孙林华博士为论文共同第一作者，邓兴旺课题组的何航副研究员、日本东京大学福田裕穗教授也为论文提供了宝贵意见，来自双方实验室的黄润洲、梁文洁、刘心宇等多位博士生对此项工作做出了重要贡献。该项目受到科技部重大研发计划、国家自然科学基金、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室以及北大-清华生命科学联合中心的资助。全文链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/26/eaaz2963