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研究揭示植物中DNA半甲基化穩(wěn)態(tài)維持的機制

2025-07-14 北京基因組研究所
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DNA甲基化是一種常見的表觀遺傳修飾,其在基因表達調控中起著重要作用。在哺乳動物中,DNA甲基化主要發(fā)生在“胞嘧啶-鳥嘌呤”(CG)位點的胞嘧啶上。CG雙鏈上兩個胞嘧啶的甲基化狀態(tài)通常一致,完全甲基化或非甲基化。這種對稱的甲基化狀態(tài)會在DNA復制過程中轉化為不對稱的“半甲基化”狀態(tài),再由DNA甲基轉移酶介導的維持甲基化機制轉化為完全甲基化狀態(tài)。此外,其他染色質相關因素也能影響半甲基化水平。半甲基化是整個DNA甲基化組中的重要組成狀態(tài),有“承上啟下”的作用。因此,深入了解半甲基化調控對于理解DNA甲基化穩(wěn)態(tài)具有重要意義。在植物中,DNA甲基化可以發(fā)生在任意胞嘧啶上,且在CG和CWG(W=A/T)位點上的甲基化水平較高,因此植物中可能在多種胞嘧啶序列上都存在半甲基化狀態(tài),但目前對于植物中DNA半甲基化的了解非常有限。

7月11日,中國科學院北京基因組研究所(國家生物信息中心)研究員徐晨歡團隊在《先進科學》(Advanced Science)上發(fā)表了題為Homeostasis of DNA Hemi-Methylation in Arabidopsis through Methylation Maintenance,DNA Replication,and Nucleosome Positioning Mechanisms的研究論文。該研究利用hairpin BS-seq技術繪制了多種擬南芥植株中的DNA半甲基化圖譜,系統(tǒng)研究了各種DNA甲基轉移酶對半甲基化穩(wěn)態(tài)的影響,并分析了DNA復制和核小體占位等因素在半甲基化形成和維持中發(fā)揮的作用。

研究人員利用hairpin BS-seq,對野生型(Col-0)和各種帶有DNA甲基轉移酶突變的擬南芥植株的半甲基化和完全甲基化水平進行了測定,發(fā)現(xiàn)擬南芥在CG和CWG位點上均具有較高的半甲基化水平,且半甲基化和完全甲基化水平高度相關。基于擬南芥中的半甲基化與完全甲基化水平的比例關系,研究人員建立了甲基化維持速率與整體甲基化水平關系的數(shù)學模型,并發(fā)現(xiàn)常染色質與異染色質上的甲基化維持效率存在明顯的差異。通過分析核小體周圍的半甲基化與完全甲基化水平,研究人員發(fā)現(xiàn)核小體可以抑制半甲基化到完全甲基化的轉換,從而促進半甲基化的維持。由于DNA復制過程中產生的大量半甲基化具有特殊的同鏈性,研究人員在單分子水平上分析了相鄰胞嘧啶上的甲基化同鏈性,發(fā)現(xiàn)相鄰的半甲基化位點更傾向于在DNA雙鏈的同一單鏈上攜帶甲基基團,暗示從DNA復制后,到維持甲基化發(fā)生前的時間窗口在半甲基化穩(wěn)態(tài)中起到了重要作用。這種半甲基化的同鏈性也在大豆、玉米、高粱等其他植物物種的DNA甲基化數(shù)據(jù)中得到了驗證。

綜上所述,該研究系統(tǒng)解析了擬南芥基因組的DNA半甲基化,并通過分析半甲基化與完全甲基化的動態(tài)關系研究了多種染色質相關因素在甲基化穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮的作用。研究還通過泛物種分析,揭示了一種潛在的半甲基化穩(wěn)態(tài)維持機制。

研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項等的支持。

論文鏈接

DNA半甲基化在DNA復制和甲基化維持中的動態(tài)平衡

打印 責任編輯:梁春雨

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