Nature Comm | DNA去甲基化調控擬南芥雄配子育性的機制
撰文 | MX
責編 | 奕梵
DNA 胞嘧啶甲基化 (5mC) 是一種重要的表觀遺傳修飾，在抑制轉座子沉默、調控基因表達和維持基因組穩定性方面具有非常關鍵的作用。在植物中，DNA甲基化的型別包括對稱的CG和CHG (H=A, C或T) 甲基化與非對稱的CHH甲基化。DNA甲基化是一種動態的表觀調控過程，其產生和去除分別由特定的DNA甲基轉移酶和DNA去甲基化酶負責。DNA甲基化的形成分為DNA甲基化的維持和DNA甲基化的從頭合成 (De novo)，植物中DNA甲基化的從頭合成主要透過RNA介導的DNA甲基化途徑 (RNA-directed DNA methylation, RdDM) 產生，主要由DRM1和DRM2負責【1】。
DNA甲基化在動植物的生殖發育過程中發揮著重要作用。儘管哺乳動物在早期胚胎髮育過程中DNA甲基化會發生劇烈的下降，在著床前的囊胚期達到最低水平。然後目前在植物中還並未觀察到在受精過程中配子細胞會發生廣泛的DNA去甲基化過程（除了CHH甲基化外）。植物的雄配子體即花粉，通常由2個精細胞和1個營養核細胞形成；雌配子體的胚珠由2個助細胞、1箇中央細胞和1個卵細胞組成。之前的研究表明在配子體的伴胞細胞（雄配子體的營養核細胞和雌配子體的中央細胞）中會發生DNA去甲基化【2】。營養核細胞和中央細胞的DNA去甲基化過程主要依賴於DNA糖基化酶DME，DME的功能缺失會導致種子敗育或雄配子的部分不育【3】。然而目前並不清楚DME功能缺失是如何導致雄配子不育的。
近日，法國PSL Research University Daniel Bouyer教授與Vincent Colot研究團隊合作在Nature Communications線上發表了題為 Male fertility in Arabidopsis requires active DNA demethylation of genes that control pollen tube function的研究論文，揭示了擬南芥DNA糖基化酶DME和ROS1在花粉營養核細胞中具有半冗餘的DNA去甲基化功能，並在調節花粉管特異基因發揮正常功能方面起著重要的作用。該研究提供了表觀調控因子如何影響植物生殖發育過程的重要理論依據。
為了搞清楚DME功能缺失如何導致雄配子不育，以及營養核細胞是否需要透過啟用DNA去甲基化，從而使維持花粉正常功能的基因得以表達，研究人員分析了DME和ROS1突變體的DNA去甲基化酶活性。首先透過dme和ros1突變體與野生型的雜交實驗進行遺傳分析，證實DME和ROS1對雄配子的育性共同發揮作用，接下來利用熒光顯微鏡觀察突變體及野生型雜交材料發現DME和ROS1對於受精過程中花粉管朝向胚珠的定位起主要作用。
研究人員進一步利用FACS (fluorescence-activated cell sorted) 技術分離了野生型和突變體的營養核細胞和精細胞進行DNA甲基化測序分析，結果表明許多與花粉管生長調控、定位及識別相關的基因都位於CG-hypo DMR區域，經過進一步的分析及基因表達水平的檢測發現有6個與花粉管功能相關的基因在突變體花粉中的表達顯著降低，因此說明DME和ROS1直接調控營養核細胞特異基因的表達從而影響花粉管功能。
DME/ROS1在調控花粉管功能相關的靶基因中的作用
總而言之，該研究表明DNA糖基化酶DME和ROS1介導的DNA去甲基化對於花粉管功能基因的調控起著至關重要的作用，揭示了DME和ROS1功能缺失導致的雄配子不育的分子機制。該研究提供了表觀遺傳調控如何影響植物生殖發育過程的重要理論依據，對於利用基因工程手段透過表觀調控因子控制或調節植物生長髮育方面具有參考意義。
參考文獻：
【1】Law, J. A. & Jacobsen, S. E. Establishing, maintaining and modifying DNA methylation patterns in plants and animals. Nat. Rev. Genet. 11, 204–220 (2010)
【2】Ibarra, C. A. et al. Active DNA demethylation in plant companion cells reinforces transposon methylation in gametes. Science 337, 1360–1364 (2012)
【3】Choi, Y. et al. DEMETER, a DNA glycosylase domain protein, is required for endosperm gene imprinting and seed viability in Arabidopsis. Cell 110, 33–42 (2002).
文章連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-20606-1