袁超等植物DNA甲基化作用机制的研究进展 applications of epigenetic manipulation for crop improvement. Keywords: DNA methylation, molecular function, plant growth, stress DNA甲基化作为一种保守的表观遗传修饰元件相关区域形成单链RNA(sRNA),之后RNA 方式,是生物基因组中普遍存在的共价修饰方式,聚合酶RDR2以之为模板合成双链RNA( dsRNA), 可以在不改变DNA分子一级结构的情况下调节最后被DCL3(DCER- LIKE PROTEIN3)切割产 基因组的功能,在基因调控和基因组稳定性中发生24nt的 SIRNA。HENl( HUA-ENHANCER1) 挥着重要作用。大量研究表明,DNA甲基化是生是一个RNA甲基转移酶,通过对 dsRNA的3末 物体中非常重要的调控模式,其在基因表达、转端的2′-羟基进行甲基化修饰,可防止 dsRNA被 座子沉默、染色质相互作用、细胞分化以及生长其他核酸酶降解田,随后成熟的24 nt sirna与 发育过程中起着重要作用。植物DNA甲基化模AGO4( ARGONAUTE4)或AGO6结合,并与 式的改变不仅可以影响植物的花期、育性、花以POLV转录的支架RNA配对并募集结构域重排 及叶的形态等生命活动,而且在植物印记、逆境胁甲基转移酶DRM2( DOMAINS REARRANGED 迫和杂种优势等方面也发挥着一定的作用。本文 METHYLASE2),从而对 SiRNAS同源的基因组 就近些年来DNA甲基化在植物生长中的作用研究序列进行甲基化修饰。 进行总结,从而为深入研究DNA甲基化在植物生 近期研究发现,除了典型的POLⅣ-RDR2 长发育中的分子调控机制提供一些参考。 DCL3途径产生24 nt sirna外,POLⅣ的旁系同 1植物DNA甲基化模式 源物POLⅡ也能够生成 SIRNA触发非典型的 RdDM(图1)。POLⅡ介导的转录不仅可以产生 DNA甲基化通常指DNA复制后,在DNA24 nt sirnA和支架RNA,并且能够通过募集 甲基转移酶( DNA methyltransferase,DNMT)的POLⅣ和POLV在RdDM靶基因位点产生 作用下,将S-腺苷甲硫氨酸(SAM)分子上的甲sRNA。对于反式激活sRNA基因和一些转录激 基(CH3)转移到DNA的CpG两个核苷酸的胞活转座子区域,RdDM依赖于POLⅡ和RDR6而 嘧啶上进行DNA甲基化修饰,形成5甲基胞嘧不是POLⅣ和RDR26。由此可见,RdDM是 啶(5-mC)、N6-甲基腺嘌呤(N6-mA)以及7-甲一个复杂的调控网络。 基鸟嘌呤(7-mG}2。目前发现的植物甲基化主要1.2维持甲基化 有从头甲基化、维持甲基化两种模式。 维持甲基化是指在甲基化DNA半保留复制产 1.1从头甲基化 生的新生链的相应位置上进行的甲基化修饰,且新 从头甲基化( De novo methylation)是指在甲生链仅在与亲本链甲基化位置相同的碱基位置发 基化转移酶的作用下,不依赖已有的甲基化DNA生甲基化。植物DNA甲基化修饰主要发生在CG、 链而在一个新位点将DNA链中的胞嘧啶C5甲基CHG及CHH(H为A、T和G)3种序列中 化。在植物中,从头甲基化是通过RNA指导的 植物DNA甲基化的维持取决于胞嘧啶序列背 DNA甲基化(RdDM)途径介导,涉及到小干扰景,由不同调节机制的DNA甲基转移酶催化。 RNA( SiRNA)、支架RNA( scaffold rna)和一系METl( METHYLTRANSFERASE1)是最先发现的 列蛋白质(图1。在RdDM途径中,首先在RNA植物甲基化转移酶,维持基因编码区域中的CG甲 聚合酶Ⅳ(POLⅣ)的参与下富集转座子和重复基化。CMT为植物特有的甲基转移酶。拟南芥中 君:010-64807509 区: claim.accn袁超 等/植物 DNA 甲基化作用机制的研究进展 ☏：010-64807509 ：cjb@im.ac.cn 839 applications of epigenetic manipulation for crop improvement. Keywords: DNA methylation, molecular function, plant growth, stress response DNA 甲基化作为一种保守的表观遗传修饰 方式，是生物基因组中普遍存在的共价修饰方式， 可以在不改变 DNA 分子一级结构的情况下调节 基因组的功能，在基因调控和基因组稳定性中发 挥着重要作用。大量研究表明，DNA 甲基化是生 物体中非常重要的调控模式，其在基因表达、转 座子沉默、染色质相互作用、细胞分化以及生长 发育过程中起着重要作用。植物 DNA 甲基化模 式的改变不仅可以影响植物的花期、育性、花以 及叶的形态等生命活动，而且在植物印记、逆境胁 迫和杂种优势等方面也发挥着一定的作用[1]。本文 就近些年来 DNA 甲基化在植物生长中的作用研究 进行总结，从而为深入研究 DNA 甲基化在植物生 长发育中的分子调控机制提供一些参考。 1 植物 DNA 甲基化模式 DNA 甲基化通常指 DNA 复制后，在 DNA 甲基转移酶 (DNA methyltransferase，DNMT) 的 作用下，将 S-腺苷甲硫氨酸 (SAM) 分子上的甲 基 (CH3-) 转移到 DNA 的 CpG 两个核苷酸的胞 嘧啶上进行 DNA 甲基化修饰，形成 5-甲基胞嘧 啶 (5-mC)、N6-甲基腺嘌呤 (N6-m A) 以及 7-甲 基鸟嘌呤(7-mG)[2]。目前发现的植物甲基化主要 有从头甲基化、维持甲基化两种模式。 1.1 从头甲基化 从头甲基化 (De novo methylation) 是指在甲 基化转移酶的作用下，不依赖已有的甲基化 DNA 链而在一个新位点将 DNA 链中的胞嘧啶 C5 甲基 化。在植物中，从头甲基化是通过 RNA 指导的 DNA 甲基化 (RdDM) 途径介导，涉及到小干扰 RNA (siRNA)、支架 RNA (scaffold RNA) 和一系 列蛋白质 (图 1)[3]。在 RdDM 途径中，首先在 RNA 聚合酶Ⅳ (POL Ⅳ) 的参与下富集转座子和重复 元件相关区域形成单链 RNA (ssRNA)，之后 RNA 聚合酶 RDR2 以之为模板合成双链 RNA (dsRNA)， 最后被 DCL3 (DICER-LIKE PROTEIN 3) 切割产 生 24 nt 的 siRNA。HEN1 (HUA-ENHANCER 1) 是一个 RNA 甲基转移酶，通过对 dsRNA 的 3′末 端的 2′-羟基进行甲基化修饰，可防止 dsRNA 被 其他核酸酶降解[4]，随后成熟的 24 nt siRNA 与 AGO4 (ARGONAUTE 4) 或 AGO6 结合，并与 POLⅤ转录的支架 RNA 配对并募集结构域重排 甲基转移酶 DRM2 (DOMAINS REARRANGED METHYLASE 2)，从而对 siRNAs 同源的基因组 序列进行甲基化修饰。 近期研究发现，除了典型的 POL Ⅳ-RDR2- DCL3 途径产生 24 nt siRNA 外，POL Ⅳ的旁系同 源物 POL Ⅱ也能够生成 siRNA 触发非典型的 RdDM (图 1)。POL Ⅱ介导的转录不仅可以产生 24 nt siRNA 和支架 RNA，并且能够通过募集 POL Ⅳ 和 POL Ⅴ 在 RdDM 靶基因位点产生 siRNA[5]。对于反式激活 siRNA 基因和一些转录激 活转座子区域，RdDM 依赖于 POL Ⅱ和 RDR6 而 不是 POL Ⅳ和 RDR2[6-8]。由此可见，RdDM 是 一个复杂的调控网络。 1.2 维持甲基化 维持甲基化是指在甲基化 DNA 半保留复制产 生的新生链的相应位置上进行的甲基化修饰，且新 生链仅在与亲本链甲基化位置相同的碱基位置发 生甲基化。植物 DNA 甲基化修饰主要发生在 CG、 CHG 及 CHH (H 为 A、T 和 G) 3 种序列中。 植物 DNA 甲基化的维持取决于胞嘧啶序列背 景，由不同调节机制的 DNA 甲基转移酶催化。 MET1 (METHYLTRANSFERASE 1) 是最先发现的 植物甲基化转移酶，维持基因编码区域中的 CG 甲 基化。CMT 为植物特有的甲基转移酶。拟南芥中