揭露CG甲基化的遺傳性和相互作用

　　將表觀遺傳標記（例如DNA甲基化）靶向特定位點的能力在基礎研究和作物植物工程中都很重要。但是，靶向DNA甲基化的遺傳性，其如何影響基因表達以及正確建立所需的表觀遺傳特征尚不清楚。

　　2021年5月25日，浙江大學劉琬璐及加利福尼亞大學洛杉磯分校Steven E. Jacobsen共同通訊在Nature Communications 在線發表題為”Ectopic targeting of CG DNA methylation in Arabidopsis with the bacterial SssI methyltransferase“的研究論文，該研究顯示了用人工鋅指蛋白靶向CG特異性甲基轉移酶M.SssI可以建立遺傳性CG甲基化并沉默擬南芥中的目標基因座。此外，該研究觀察到高度可遺傳的廣泛異位CG甲基化，主要是在常染色體區域。這種高甲基化對轉錄幾乎沒有影響，但會觸發H2A.Z和H3K27me3積累的輕度但顯著降低。這些結果概述了CG甲基化的遺傳性和相互作用以及其他表觀基因組特征的一般原則，這些原則應有助于指導未來對表觀基因組的研究。

　　DNA甲基化是一種進化保守的表觀遺傳修飾，在沉默轉座因子和調節基因表達中起關鍵作用。在擬南芥中，DNA甲基化發生在三個序列環境中：CG，CHG和CHH（其中H代表A，T或C）。植物中DNA甲基化的建立涉及DNA甲基轉移酶DRM2，通過植物特有的RNA介導的DNA甲基化（RdDM）途徑進行。

　　RdDM涉及通過RNA聚合酶IV（Pol IV）轉錄30-40個核苷酸（nt）單鏈RNA（P4RNA），然后被依賴于RNA的RNA聚合酶2（RDR2）逆轉錄。通過DICER-LIKE 3（DCL3）處理成24 nt小干擾RNA（siRNA），并加載到ARGONAUTE 4（AGO4）。接下來，與siRNA結合的AGO4通過序列互補識別由Pol V轉錄的非編碼P5RNA，這觸發DRM2的募集和從頭甲基化。建立后，維持CG甲基化需要DNA甲基轉移酶METHYLTRANSFERASE 1（MET1），而維持CHG和CHH甲基化則需要染色體甲基化酶3（CMT3），CMT2和DRM2。

　　對稱的CG甲基化在不同生物之間是保守的，并且大部分分布在異染色質區或基因區。在植物中，異染色質區域上的甲基化發生在CG，CHG和CHH環境中，并且在轉座因子和重復序列的轉錄沉默中起重要作用。相比之下，在基因區域的甲基化，稱為基因體甲基化（gbM），與基因表達成正相關，并在組成型表達的基因中富集。盡管gbM在各種生物中具有高度的保守性，但其功能尚不為人所知。

　　在不同生物中的研究提出了gbM的各種功能，包括調節基因表達，選擇性剪接，反義轉錄，通過外顯子定義提高剪接準確性，抑制RNA聚合酶II（Pol II）起始以及降低Pol II延伸效率。然而，在gbM水平存在差異的不同植物物種和模型植物擬南芥中進行的大多數研究表明，這種修飾對基因表達的作用有限。同樣，gbM似乎并不影響植物中不同組蛋白修飾的整體模式。組蛋白變體H2A.Z是一個例外，其中已假設gbM可以防止H2A.Z擴展成基因體和異常轉錄本的轉錄。

　　隨著DNA靶向工具（例如人造鋅指（ZF），TAL效應子和CRISPR / Cas9系統）的發展，已成功在動植物中實現了對特定基因組位點的DNA甲基化的控制操作。最近在擬南芥中的研究表明，靶向由人工ZF蛋白融合不同RdDM組分足以將甲基化靶向基因組中的ZF結合位點。先前在不同生物中的研究都使用了Spiroplasma sp.菌株MQ1 CG甲基轉移酶M.SssI（SssI）靶向甲基化。

　　在這項工作中，將SssI融合到旨在靶向FAGEERING WAGENINGEN（FWA）啟動子的人工ZF（ZF-SssI）上，并測試其靶向擬南芥中甲基化的能力。ZF-SssI融合蛋白成功地將可遺傳的DNA甲基化靶向FWA啟動子和其他ZF脫靶位點。此外，ZF-SssI植物表現出全基因組范圍的異位CG甲基化，尤其是在外顯子和轉錄終止位點（TTS）上方，這表明ZF-SssI融合體具有非特異性異位活性。重要的是，在大多數基因組區域中，異位CG甲基化高度可遺傳。該研究利用這個系統來表征由ZF-SssI異位甲基化的基因座，以及CG甲基化對基因表達，組蛋白修飾和組蛋白變體的影響。