首次，4篇重量級的文章闡述DNA甲基化在胚胎髮育中的動態變化

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iNature：由於植物能夠將其生命周期暫停為休眠種子，因此發芽需要從完全代謝休眠轉變為代謝活躍的正在生長的幼苗。 在此階段對基因表達的調控取決於表觀遺傳中的主要變化 - 包括DNA甲基化重編程，轉座子沉默和小RNA表達。雖然我們對發芽後植物發育過程中涉及的表觀遺傳過程有很多了解，但我們對種子萌發表觀遺傳學的了解卻有點模糊。 但是現在，3篇發表在「Genome Biology」及1篇文章發表在「Nature Genetics」關於植物表觀基因組學上的文章揭示了這一過程。

DNA甲基化 - 它是如何發生的

DNA甲基化可以影響基因表達，轉座子活性和異染色質形成。在植物中，DNA甲基化發生在三種不同情況下的胞嘧啶：CG，CHG和CHH（其中H = C，A或T）。這三種甲基化背景由四種DNA甲基化途徑維持。通過DNA甲基轉移酶1 （MET1）保持CG甲基化，通過CMT3保持CHG甲基化，並且通過RNA介導的DNA甲基化（RdDM）維持CHH甲基化，其依賴RNA聚合酶DRM2。 CHH甲基化通常在轉座元件周圍發現，使它們沉默並使其免於在基因組周圍移動。 CHG和CHH甲基化也可以通過CMT2在與異染色質形成相關的途徑中維持。

在模式植物擬南芥中，還研究了四種DNA去甲基化酶：DME，ROS1 / DML1，DML2和DML3。DME在胚乳中對於基因組印記至關重要，而其他去甲基酶在營養組織中有活性。

DNA甲基化動態性在發育的胚胎中

通過比較早期和成熟胚胎（分別為4日齡和10日齡），Daniel Bouyer和合作者觀察到成熟胚胎中總DNA甲基化增加，主要由CHH甲基化升高引起。 CHH甲基化在早期和成熟胚胎中的差異在富含轉座子，基因缺乏的pericentromeric區域中最為明顯，表明胚胎髮育時染色體有著不同的甲基化動力學。

萌發過程中表觀遺傳的重編程

Joseph Ecker及其同事將擬南芥種子發育（授粉後4-18天）和發芽過程中全基因組DNA甲基化重新編程的動力學區分開來。他們在種子/胚胎髮育和發芽階段以及在生長的植物中尋找單基因決定的種子甲基化組織。

與發芽和發育過程中的其他階段相比，他們還發現發育中的胚胎中CHH甲基化增加，在干種子中達到峰值。胚胎髮育和萌發中大部分甲基化的CHH位點與轉座因子重疊。

使用缺乏甲基化/去甲基途徑功能組分的植物，Joseph Ecker及其同事證明RdDM和CMT2途徑都是活躍的並且在種子發育過程中需要DNA甲基化。其他DNA甲基化途徑的組分在乾燥前有活性，且只有DRM2在整個過程中有活性，包括種子乾燥時。

在發芽過程中，基因組去甲基化獨立於DNA去甲基化酶而發生，因為在這個階段這些酶表達很弱（或根本不）。觀察到的去甲基化可能在細胞分裂過程中被動地發生。

對基因表達的影響

Reena Narsai及其同事在胚胎/種子發育和萌發過程中觀察了全基因組DNA的甲基化，基因表達和小RNA表達。

Reena Narsai及其同事發現超過24000個基因在萌發過程中與干種子相比差異表達，其中許多基因具有光或根相關功能。同時，具有RNA剪接和組蛋白功能的基因在干種子中高度表達。事實上，觀察到轉錄物的廣泛選擇性剪接，並且在發芽過程中可能對轉錄組重編程有很大貢獻。在一段時間內RNA表達數據有助於重建在發芽過程中調節基因表達的複雜網路。

在發芽時間過程中，還有超過10000個sRNA位點被差異調節。其中大多數發現與轉座因子和基因組中差異甲基化區域重疊，尤其是那些CHH甲基化缺失的區域。這一切都表明在萌發中在這些基因座處看到的甲基化和表達模式是由於RdDM途徑活性的變化。

植物生殖細胞DNA甲基化重編程

生殖細胞通常被認為是「不朽的」，因為它們的遺傳物質可被後代完全繼承。DNA甲基化是DNA的一種修飾，能在不改變基因序列的前提下改變DNA活性。以DNA甲基化等修飾為核心的表觀遺傳學是當代生命科學發展最快的領域之一，在改善人類和植物健康等方面具有很高潛力。DNA甲基化重編程是動物體內最常見的現象，在生殖細胞中尤其明顯，對生殖是否成功起調控作用。

「植物雖歷經數代繁殖，它們的DNA甲基化信息仍保存完好，因此人們相信植物生殖細胞的甲基化重編程事件應該不多。但是，通過我們的這項研究，揭示植物生殖細胞也在經歷甲基化重編程，而且是細胞行使功能的必要條件。」通過分析代表植物擬南芥的遺傳譜，研究人員在擬南芥雄性性譜系中鑒定出一個活躍的基因靶向RNA-指導的DNA甲基化，在細胞減數分裂過程中調控基因表達。缺失這種性譜系特異性RdDM，導致MPS1基因（也稱PRD2）錯誤拼接，從而打擾減數分裂過程。

馮博士解釋道：「我們發現了一種新的重編程機制，並將其命名為重新DNA甲基化。許多植物組織中特定細胞都能利用這條途徑調節基因表達，實際上，重新 DNA甲基化參與了植物的許多進程。」掌握植物發育經歷了哪些事件，是利用表觀遺傳調控特定基因表達的前提條件。「了解植物生殖細胞如何傳遞和繼承DNA甲基化，對理解甲基化如何在變化中保持傳代穩定非常重要，兩者都是利用表觀遺傳學改良作物屬性的必要基礎。」

總結及展望

這4項研究揭示了胚胎/種子發育，萌發和幼苗發育早期發生的DNA甲基化動力學過程。 Daniel Bouyer及其同事已經表明，隨著胚胎成熟，染色體DNA甲基化發生改變，在胚胎和胚乳的相同基因座上發生甲基化改變； Joseph Ecker和合作者已經顯示了從干種子向發芽幼苗過渡的DNA甲基化重編程的機制；Reena Narsai和同事們已經顯示了在這個過程中發生的轉錄組變化，受到DNA甲基化和複雜的轉錄因子網路調控；Feng研究組在擬南芥雄性性譜系中鑒定出一個活躍的基因靶向RNA-指導的DNA甲基化，在細胞減數分裂過程中調控基因表達。缺失這種性譜系特異性RdDM，導致MPS1基因（也稱PRD2）錯誤拼接，從而打擾減數分裂過程。

將關於組蛋白動態的新信息和其他表觀遺傳酶的作用與這些信息結合起來，可以讓我們更全面地了解種子發育和發芽過程中的表觀遺傳動態。

https://blogs.biomedcentral.com/on-biology/2017/09/25/exploring-epigenetic-dynamics-early-plant-development/

內容為【iNature】公眾號原創，歡迎轉載

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