朱健康院士PLOS發表植物學新研究

　　2015年1月8日，中科院上海生命科學研究院朱健康課題組，在國際著名學術期刊《PLOS Genetics》發表一項最新研究成果，題為“An AP Endonuclease Functions in Active DNA Dimethylation and Gene Imprinting in Arabidopsis”。這項研究表明，APE1L蛋白和DNA磷酸酶ZDP是胚乳中FWA及MEA基因印跡所必需的，對于種子的發育非常重要。因此，在擬南芥中，APE1L是活性DNA脫甲基途徑的一個新組件，可與ZDP一起調控基因印跡。

　　本文通訊作者分別為中科院上海生命科學研究院朱健康院士和西班牙Córdoba大學的Teresa Roldán-Arjona。朱健康2010年當選為美國科學院院士，2011年入選首批中央“千人計劃”頂尖人才團隊，中國科學院上海植物逆境生物學研究中心首席科學家。

　　DNA甲基化是一種穩定的表觀遺傳學標記，可調控基因組的許多方面，包括轉座子沉默和基因表達。在植物中，DNA甲基化可發生在CG、CHG和CHH基序中（H代表A、T或C）。擬南芥的DNA甲基化基因組圖譜顯示，基因體中的甲基化，主要是在CG序列中，而轉位子和其他富含重復序列的異染色質區域中的甲基化，可能存在于所有三種基序中。

　　然而，大量CG甲基化在基因區域中的功能仍不清楚。DNA甲基化通常與抑制轉錄活性的組蛋白修飾有關。DNA甲基化模式是由甲基化和脫甲基化反應協調控制的。在擬南芥中，對稱的CG和CHG甲基化在DNA復制期間，可以分別通過DNA甲基轉移酶1（MET1）和染色質甲基化酶3（CMT3）維持。相反，不對稱的CHH甲基化不能被維持，是通過從頭合成甲基化酶2（DOMAINS REARRANGED METHYLASE 2，DRM2）重新構建的，DRM2酶可以通過RNA指導的DNA甲基化（RdDM）通路，被靶定到特定序列。DNA甲基化可被活性DNA脫甲基化途徑抑制，這些途徑包括DNA糖基化沉默阻遏1（ROS1）、得墨忒耳（DME）、得墨忒耳樣2（DML2）和得墨忒耳樣3（DML3）。

　　ROS1、DME、DML2和DML3都是雙功能的DNA糖基化酶，它們通過去除5-甲基胞嘧啶（5-meC）堿基、隨后通過β -或β, δ-elimination使磷酸二酯骨架裂解，可啟動活性DNA脫甲基化作用。當β, δ-elimination發生時，會與3′-磷酸基團之間產生一個缺口。該課題組之前的研究表明，3′DNA磷酸酶ZDP可催化3′-磷酸基團轉換為 3′-羥基（3′-OH），從而使DNA聚合酶和連接酶活性能夠填補這個缺口。β-elimination產物，與blocking 3′-phosphor-α, β-unsaturated 乙醛 (3′-PUA)之間的缺口，也必須被轉換成3′-OH，以在DNA聚合酶和連接酶介導的單核苷酸插入或長片段DNA合成過程中完成脫甲基化過程。然而，在β-elimination通路ROS1和DME下游發揮作用的酶尚未確定。

　　ROS1突變可導致RD29A啟動子驅動的一個熒光素酶報告基因以及內源RD29A基因發生甲基化和轉錄沉默。在數以千計的內源性基因組區域中，ROS1功能障礙也會引起DNA甲基化。在RD29A啟動子區和許多內源性基因位點上，Zdp突變也顯示甲基化。然而，RD29A啟動子區中由zdp 突變引起的甲基化，與ros1突變引起的甲基化不一樣高，許多ROS1靶標在zdp突變體中沒有發生甲基化。這些結果表明，在ROS1和其他DNA糖基化酶/裂解酶下游，有可能存在一種替代的、獨立于XDP的DNA脫甲基化分支途徑。

　　雖然ROS1在幾乎所有植物組織中發揮功能，DME傾向于在雌配子體的中央細胞中表達，對于胚乳中的基因印跡調節是很重要的。在擬南芥中，印跡蛋白編碼基因包括FWA、MEA和FIS2，并且這個列表是可擴展的。因為DNA甲基化和印記基因母系等位基因的下調，DME的功能缺失突變可導致異常的胚乳和胚胎發育。DME也是雄配子體伴細胞中DNA脫甲基化所必需的。SSRP1——一個染色質重塑蛋白，被認為是基因印跡必需的另一個因素，SSRP1突變可引起類似于DME突變引起的母系致死表型。因此，在擬南芥中，很可能作用于5-meC DNA 糖基化酶/裂解酶下游的ZDP和其他蛋白，也影響基因印跡。但有趣的是，無論ZDP突變還是DNA糖基化酶/裂解酶下游其他DNA修復酶的突變，都表現出與缺陷基因印跡有關的發育表型。

　　在這項研究中，研究人員描述了擬南芥APE樣蛋白在ROS1產生的3′-blocking ends加工過程中的作用，并檢測了ape突變誘導的甲基化組變化。研究人員發現，純化的APE1L蛋白可以加工3′-PUA 末端產生3′-OH末端。APE1L也在3′-磷酸化末端到3′-OH末端的轉換過程中，表現出弱的活性。ape1l-1突變體在數千個基因組區域中顯示改變了的甲基化模式。

　　有趣的是，研究人員發現，ape1l+/?zdp?/?突變體是母系致死的，因此所引發的表型類似于dme突變引發的種子敗育表型。印跡基因FWA和 MEA的母系等位基因是甲基化的，它們在這種異常雙突變種子胚乳中的表達水平降低。APE1L和DNA磷酸酶ZDP是胚乳中FWA及MEA基因印跡所必需的，對于種子的發育非常重要。因此，在擬南芥中，APE1L是活性DNA脫甲基途徑的一個新組件，可與ZDP一起調控基因印跡。