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DNA甲基化是一種重要的表觀遺傳機(jī)制，對(duì)轉(zhuǎn)座子沉默和基因組完整性至關(guān)重要。在進(jìn)化過程中，DNA甲基化底物在不同生物界中發(fā)生多樣化。在植物中，染色體甲基化酶3（CMT3）和CMT2分別介導(dǎo)CHG和CHH位點(diǎn)的甲基化。然而，這兩種甲基轉(zhuǎn)移酶在進(jìn)化過程中如何分化其底物特異性仍然未知。

近日，河南大學(xué)蔣建軍教授為第一作者，美國(guó)圣路易斯華盛頓大學(xué)鐘雪花教授和加州大學(xué)河濱分校宋吉奎教授為共同通訊在Science子刊《Science Advances》上發(fā)表了題為“Substrate specificity and protein stability drive the divergence of plant-specific DNA methyltransferases”的研究論文，揭示了底物特異性和蛋白質(zhì)穩(wěn)定性如何驅(qū)動(dòng)植物特異性DNA甲基轉(zhuǎn)移酶分化，特別是CMT2和CMT3在進(jìn)化過程中的底物特異性分化，闡明了CMT2和CMT3產(chǎn)生功能分化的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制。

標(biāo)題：Substrate specificity and protein stability drive the divergence of plant-specific DNA methyltransferases（底物特異性和蛋白質(zhì)穩(wěn)定性促進(jìn)植物特異性DNA甲基轉(zhuǎn)移酶分化）

發(fā)表時(shí)間：2024年11月6日

發(fā)表期刊：Science Advances

影響因子：IF 11.7 / 1區(qū)

應(yīng)用技術(shù)：BS-seq、RNA-seq（易基因金牌技術(shù)）

本研究進(jìn)行了全面的結(jié)構(gòu)、功能和進(jìn)化研究，分析了CMT2和CMT3分化背后的分子機(jī)制。研究首先揭示了對(duì)CMT3識(shí)別CHG至關(guān)重要的精氨酸殘基（R745）在CMT2中表現(xiàn)出很大的變異，解釋了其失去CHG特異性的原因。在擬南芥中，將CMT2中相應(yīng)的殘基突變?yōu)榫彼幔╒1200R）獲得了CHG甲基化活性，并在cmt2cmt3突變體中重新沉默一組轉(zhuǎn)座元件（TEs），發(fā)揮了類似CMT3功能。CMT3有一個(gè)短的N末端，CMT2卻包含一個(gè)長(zhǎng)而無序的N末端，這是許多植物物種的共同特征。這個(gè)長(zhǎng)的N末端調(diào)控CMT2穩(wěn)定性，并介導(dǎo)熱誘導(dǎo)的CMT2降解。此外由于自然界中CMT2的N端存在多種變異，CMT2的N端更具可塑性，能夠高度容忍各種自然變異?？偟膩碚f，本研究揭示了植物種染色體甲基化酶靶向特定環(huán)境DNA甲基化的分化機(jī)制，并為植物中DNA甲基化的功能和進(jìn)化提供了新的視角。

研究方法：

1. 結(jié)構(gòu)和功能研究：通過比較CMT3和CMT2的關(guān)鍵殘基，構(gòu)建了CMT2與DNA復(fù)合物的結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行體外甲基化實(shí)驗(yàn)。

2. 系統(tǒng)發(fā)育分析：通過系統(tǒng)發(fā)育分析探討CMT2和CMT3的進(jìn)化關(guān)系。

3. 基因編輯：通過在擬南芥中引入V1200R突變，研究者們?cè)鰪?qiáng)了CMT2的CHG甲基化活性。

4. DNA甲基化分析：利用全基因組亞硫酸鹽測(cè)序（WGBS-seq）技術(shù)分析CMT2和CMT2V1200R對(duì)全基因組甲基化水平的影響。

5. 轉(zhuǎn)錄組測(cè)序：通過RNA-seq分析CMT2V1200R介導(dǎo)CHG甲基化對(duì)基因表達(dá)的影響。

6. 自然變異分析：分析自然條件下的CMT2變異，以及這些變異對(duì)DNA甲基化和植物適應(yīng)性影響。

結(jié)果圖形

（1）CMT2起源于開花植物中CMT3的復(fù)制，CMT2V1200R在體外和體內(nèi)誘導(dǎo)CHG甲基化增加

圖1：精氨酸殘基丟失使CMT2具有與CMT3不同的底物偏好。

A. 綠色植物（Viridiplantae）中CMT3（或其近緣同源物hCMTα/β）和CMT2的系統(tǒng)發(fā)育樹。

B. CMT2和CMT3之間的蛋白質(zhì)序列同一性（左圖）以及在開花植物中與+2鳥嘌呤（G+2）接觸的殘基和CMT2中的相應(yīng)殘基（右圖）。

C. 在cmt3突變背景下，M. polymorpha CMT3（MpCMT3）和C. braunii CMT3（CbCMT3）的CHG甲基化水平Meta圖。

D. 擬南芥中所有轉(zhuǎn)座元件（TEs）上的平均CHG甲基化水平Meta圖。

E. CHG低甲基化區(qū)域（hypoDMRs）上的CHG甲基化水平箱線圖。

F. CMT2和CMT2V1200R對(duì)CHH、CHG或半甲基化CHG（hmCHG）DNA底物的體外DNA甲基轉(zhuǎn)移酶檢測(cè)。

G. 玉米ZMET2-DNA復(fù)合物結(jié)構(gòu)（蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫7UBU）顯示ZMET2 Y526和R804與CHG環(huán)境中目標(biāo)胞嘧啶+2位點(diǎn)（G+2）鳥嘌呤之間的相互作用。

H. 兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)基因CMT2和CMT2V1200R植物在cmt2cmt3（cc）突變背景下的表型圖像。

I. 免疫印跡圖顯示（H）中植物的CMT2和CMT2V1200R蛋白水平。

J. McrBC-qPCR分析兩個(gè)CMT2靶向TEs Copia89和Copia18A的DNA甲基化水平。

K. BS-seq中Copia89的CHG和CHH甲基化水平的基因組瀏覽器視圖。

L. 擬南芥中所有TEs上的平均CHG甲基化水平Meta圖。

M. 與Col-0比較時(shí)鑒定DMRs的重疊情況維恩圖。

（2）CMT2V1200R介導(dǎo)的CHG甲基化抑制TE

圖2. CMT2V1200R抑制CMT2和CMT3靶向的轉(zhuǎn)座元件（TEs）。

A. 兩個(gè)獨(dú)立的CMT2/cc和V1200R/cc轉(zhuǎn)基因系中上調(diào)TEs的表達(dá)水平熱圖。cc代表cmt2cmt3。虛線框表示被CMT2V1200R重新沉默的TEs。

B. CMT2/cc中仍然表達(dá)的TEs的CHG和CHH DNA甲基化水平。

C. 在CMT2/cc和V1200R/cc轉(zhuǎn)基因植物中，通過RT-qPCR檢測(cè)Copia11和Copia47的相對(duì)轉(zhuǎn)錄水平。

D. CMT2/cc和V1200R/cc中差異表達(dá)基因（DEGs）數(shù)量。

E. V1200R/cc中上調(diào)基因的基因本體（GO）分析。

（3）CMT2包含一個(gè)對(duì)核定位很重要的長(zhǎng)N末端

圖3. CMT2的長(zhǎng)N端無序，且調(diào)控蛋白水平。

A. 擬南芥（A. thaliana，雙子葉植物）和A.trichopoda（基部被子植物）的CMT2和CMT3域結(jié)構(gòu)圖表。藍(lán)色條表示串聯(lián)重復(fù)。MT，甲基轉(zhuǎn)移酶域；CD，染色質(zhì)域。線上的數(shù)字表示域之間的氨基酸數(shù)量。WGD，全基因組復(fù)制。

B. A.trichopoda和A. thaliana CMT2 N端保守RRS motif比對(duì)。

C. A.trichopoda和A. thaliana CMT2的固有無序得分圖，由PONDR評(píng)分。

D. 在A. thaliana cmt2突變背景下表達(dá)全長(zhǎng)A.trichopoda CMT2（AmtriCMT2）和N端截短的A.trichopoda CMT2（AmtriCMT2ΔN）的蛋白水平免疫印跡。

E. RT-qPCR顯示AmtriCMT2和AmtriCMT2ΔN轉(zhuǎn)基因系中AmtriCMT2轉(zhuǎn)錄水平。

F. 野生型（CMT3）和N端轉(zhuǎn)換的CMT3（CMT2N-CMT3ΔN）轉(zhuǎn)基因系在cmt3突變體中的蛋白水平免疫印跡。

G. RT-qPCR顯示CMT3和CMT2N-CMT3ΔN轉(zhuǎn)基因植物中CMT3轉(zhuǎn)錄水平。

H. 野生型（CMT2）和N端轉(zhuǎn)換的CMT2（CMT3N-CMT2ΔN）轉(zhuǎn)基因系在A. thaliana cmt2突變體中的蛋白水平免疫印跡。

I. RT-qPCR顯示CMT2和CMT3N-CMT2ΔN轉(zhuǎn)基因系中CMT2轉(zhuǎn)錄水平。

轉(zhuǎn)錄水平首先歸一化到Col-0中的CMT2水平，然后歸一化到Col-0中的ACT7水平。ns，無顯著性差異。

（4）CMT2的N末端調(diào)控蛋白質(zhì)穩(wěn)定性

圖4. CMT2的N末端調(diào)控其蛋白穩(wěn)定性。

A. 用500 μM環(huán)己酰亞胺（CHX）處理指定時(shí)間后CMT3（頂部）和CMT2N-CMT3ΔN（底部）的水平免疫印跡圖。使用7日齡幼苗。肌動(dòng)蛋白作為對(duì)照。R1和R2代表兩個(gè)生物學(xué)重復(fù)。

B. 相對(duì)于肌動(dòng)蛋白歸一化的蛋白水平定量。

C. 免疫印跡圖顯示用500 μM環(huán)己酰亞胺處理指定時(shí)間后CMT2（頂部）和CMT3N-CMT2ΔN（底部）的水平。

D. 免疫印跡圖顯示用500 μM環(huán)己酰亞胺處理后CMT2N-GFP（頂部）和僅GFP（底部）的水平。右側(cè)是通過GFP信號(hào)相對(duì)于肌動(dòng)蛋白標(biāo)準(zhǔn)化的蛋白水平定量。

（5）N末端介導(dǎo)熱誘導(dǎo)的CMT2降解

圖5. 長(zhǎng)N末端介導(dǎo)熱誘導(dǎo)的CMT2蛋白降解。

A. 免疫印跡圖顯示在37°C熱處理指定時(shí)間后CMT3（頂部）和CMT2N-CMT3ΔN（底部）的水平。使用10日齡幼苗。

B. 相對(duì)于肌動(dòng)蛋白歸一化的蛋白水平定量。

C. 免疫印跡圖顯示在37°C熱處理指定時(shí)間后CMT2（頂部）和CMT3N-CMT2ΔN（底部）的水平。

D. 免疫印跡圖顯示在37°C熱處理后CMT2N-GFP（頂部）和僅GFP（底部）的水平。

E. 共聚焦顯微鏡圖像顯示在37°C熱處理指定時(shí)間后，擬南芥根尖中CMT2N-GFP和CMT2-GFP的定位和強(qiáng)度。

（6）CMT2自然變異表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境脅迫的耐受性

圖6. 擬南芥中CMT2的自然變異。

A. 擬南芥近緣種CMT2基因的dN/dS繪圖。

B. 不同CMT2基因突變的品系全基因組CHH甲基化水平。

C. 野生型（WT；n=25）、N端（第1外顯子(n=31)和第3外顯子(n=16)的AT4G19020.1）和C端（n=2）CMT2突變的CHH甲基化點(diǎn)圖。

D. 擬南芥生態(tài)型Col-0和Lhasa-0的表型比較。

E. 來自青藏高原的自然品系Lhasa-0和Tibet-0的基因組瀏覽器視圖，顯示CMT2外顯子中的單核苷酸變異（SNV）和插入。

F. 與野生型Col-0和CHH DNA甲基轉(zhuǎn)移酶突變體相比，Lhasa-0生態(tài)型在擬南芥染色體上的平均水平CHH甲基化。

G. Lhasa-0與CHH DNA甲基轉(zhuǎn)移酶突變體之間低甲基化差異甲基化區(qū)域（DMRs）的重疊。

H. McrBC-qPCR分析顯示在兩個(gè)代表性位點(diǎn)的DNA甲基化互補(bǔ)。含有CMT2基因組序列（gCMT2）的轉(zhuǎn)基因系可以挽救Lhasa-0中丟失的CHH甲基化。Tibet-0用作對(duì)照。AMD，絕對(duì)甲基化差異。

易小結(jié)

本研究通過WGBS+RNA-seq等分析揭示了植物中CMTs的分化機(jī)制，為理解DNA甲基化在植物進(jìn)化和功能中的作用提供了重要見解。

研究亮點(diǎn)

1) CMT2的起源和進(jìn)化：研究揭示了CMT2是如何從CMT3分化而來，以及這一分化如何影響了植物的DNA甲基化模式。

2) V1200R突變的功能研究：通過V1200R突變，研究者們成功地改變了CMT2的底物特異性，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解酶活性的調(diào)控具有重要意義。

3) CMT2 N端的穩(wěn)定性研究：研究者們發(fā)現(xiàn)CMT2的長(zhǎng)N末端在熱應(yīng)激下對(duì)其穩(wěn)定性至關(guān)重要，這一發(fā)現(xiàn)為理解環(huán)境因素如何影響表觀遺傳機(jī)制提供了新的視角。

4) 自然變異與環(huán)境適應(yīng)性：通過分析自然條件下CMT2的變異，研究者們揭示了這些變異如何影響植物對(duì)環(huán)境應(yīng)激的適應(yīng)性，這對(duì)于理解植物進(jìn)化和育種具有重要意義。

這項(xiàng)研究不僅增進(jìn)了對(duì)植物DNA甲基化機(jī)制的理解，還為農(nóng)業(yè)育種和作物改良提供了潛在的分子靶標(biāo)。

關(guān)于易基因全基因組重亞硫酸鹽測(cè)序（WGBS）

全基因組重亞硫酸鹽甲基化測(cè)序（WGBS）可以在全基因組范圍內(nèi)精確的檢測(cè)所有單個(gè)胞嘧啶堿基（C堿基）的甲基化水平，是DNA甲基化研究的金標(biāo)準(zhǔn)。WGBS能為基因組DNA甲基化時(shí)空特異性修飾的研究提供重要技術(shù)支持，能廣泛應(yīng)用在個(gè)體發(fā)育、衰老和疾病等生命過程的機(jī)制研究中，也是各物種甲基化圖譜研究的首選方法。

易基因全基因組甲基化測(cè)序技術(shù)通過T4-DNA連接酶，在超聲波打斷基因組DNA片段的兩端連接接頭序列，連接產(chǎn)物通過重亞硫酸鹽處理將未甲基化修飾的胞嘧啶C轉(zhuǎn)變?yōu)槟蜞奏，進(jìn)而通過接頭序列介導(dǎo)的 PCR 技術(shù)將尿嘧啶U轉(zhuǎn)變?yōu)樾叵汆奏。

應(yīng)用方向：

WGBS廣泛用于各種物種，要求全基因組掃描（不錯(cuò)過關(guān)鍵位點(diǎn)）

• 全基因組甲基化圖譜課題

• 標(biāo)志物篩選課題

• 小規(guī)模研究課題

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

• 應(yīng)用范圍廣：適用于所有參考基因組已知物種的甲基化研究；

• 全基因組覆蓋：最大限度地獲取完整的全基因組甲基化信息，精確繪制甲基化圖譜；

• 單堿基分辨率：可精確分析每一個(gè)C堿基的甲基化狀態(tài)。

易基因提供全面的表觀基因組學(xué)（DNA甲基化、DNA羥甲基化）和表觀轉(zhuǎn)錄組學(xué)（m6A、m5C、m1A、m7G、ac4C）、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能組學(xué)技術(shù)方案（ChIP-seq、ATAC-seq），詳詢易基因：0755-28317900。

參考文獻(xiàn)：

Jiang J, Gwee J, Fang J, Leichter SM, Sanders D, Ji X, Song J, Zhong X. Substrate specificity and protein stability drive the divergence of plant-specific DNA methyltransferases. Sci Adv. 2024 Nov 8;10(45):eadr2222. doi: 10.1126/sciadv.adr2222. PubMed PMID: 39504374.

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