植物逆境中心朱健康院士在植物DNA主动去甲基化领域取得新进展

来源：iPlants

DNA去甲基化对于调节生物体的基因组DNA甲基化状态和防止转录后基因沉默等方面具有十分重要的作用。5-甲基胞嘧啶DNA糖基化酶/裂解酶ROS1(REPRESSOR OF SILENCING1)是生物体内首个被发现的DNA去甲基化酶,能够通过启动碱基切除修复途径完成DNA主动去甲基化 (Gong et al., 2002)。DNA去甲基化酶ROS1的调控机制及其如何被招募到基因组的特定区域进行DNA的去甲基化反应是表观遗传学领域的前沿问题。

JIPB近日在线发表了中科院上海逆境生物学研究中心朱健康课题组题为“A novel protein complex that regulates active DNA demethylation in Arabidopsis”的研究论文。该研究报道了拟南芥中首个含有DNA去甲基化酶ROS1的DNA去甲基化复合体（即RWD40复合体）的分离鉴定和功能分析，和RWD40复合体参与调控植物DNA主动去甲基化的新机制（图 1）。

该研究结果表明，拟南芥去甲基化酶ROS1与含有WD40结构域蛋白的RWD40相互作用，后者又与一种新的甲基化DNA结合蛋白RMB1以及含有锌指（Zinc-Finger）和Homeodomain结构域蛋白RHD1相互作用。进一步的实验结果表明ROS1与RWD40、RMB1和RHD1形成一个蛋白RWD40复合体。

图1  植物DNA主动去甲基化复合体RWD40的组成成员（A）及其调控DNA去甲基化机制的示意图（B）

RWD40复合体能够调节一些内源位点的甲基化水平，并且能够通过控制ROS1基因启动子的 “DNA甲基化感应器”（MEMS）的DNA甲基化程度去调节ROS1基因的表达水平,进而可能以此影响全基因组的DNA甲基化水平。含有甲基化DNA结合蛋白的IDM1和MBD7只能结合CG类型的甲基化DNA，而RMB1蛋白能够结合CG, CHG和CHH类型的甲基化DNA。因而，RWD40复合体对于将DNA去甲基化酶ROS1招募到植物基因组的特定区域进行主动去甲基化是至关重要的，并且这种招募机制不同于已知的IDM复合体和组蛋白变体H2A.Z介导的DNA主动去甲基化机制 (Qian et al., 2012; Lang et al., 2015; Duan et al., 2017; Nie et al., 2019)

该研究认为，DNA去甲基化酶的招募依赖两种类型的蛋白质：甲基化DNA结合蛋白和转录因子。甲基化DNA结合蛋白能够确保DNA主动去甲基化反应只针对甲基化基因组区域（只有甲基化区域需要去甲基化）；转录因子蛋白能够确保DNA主动去甲基化反应只针对那些需要调节的DNA序列（以防止有害的沉默）和避免DNA主动去甲基化发生在一些DNA甲基化需要很高的基因和转座子的区域（这些区域不需要DNA去甲基化）。

中科院上海逆境生物学研究中心刘盼博士、朱健康院士、Rosa Lozano-Duran研究员和扬州大学聂文锋等主要参与了该项研究工作。该研究得到了中国科学院、国家自然科学基金和江苏省自然科学基金等资助。

参考文献：

1. Duan, C.G., Wang, X.G., Zhang, L.R., Xiong, X.S., Zhang, Z.J., Tang, K., Pan, L., Hsu, C.C., Xu, H.W., Tao, W.A., et al. (2017). A protein complex regulates RNA processing of intronic heterochromatin-containing genes in Arabidopsis. Proc Natl Acad Sci USA 114, E7377-E7384.

2. Gong, Z.H., Morales-Ruiz, T., Ariza, R.R., Roldan-Arjona, T., David, L., and Zhu, J.K. (2002). ROS1, a repressor of transcriptional gene silencing in Arabidopsis, encodes a DNA glycosylase/lyase. Cell 111, 803-814.

3. Lang, Z., Lei, M., Wang, X., Tang, K., Miki, D., Zhang, H., Mangrauthia, S.K., Liu, W., Nie, W., Ma, G., et al. (2015). The methyl-CpG-binding protein MBD7 facilitates active DNA demethylation to limit DNA hyper-methylation and transcriptional gene silencing. Mol Cell 57, 971-983.

4. Nie, W.F., Lei, M., Zhang, M., Tang, K., Huang, H., Zhang, C., Miki, D., Liu, P., Yang, Y., Wang, X., et al. (2019). Histone acetylation recruits the SWR1 complex to regulate active DNA demethylation in Arabidopsis. Proc Natl Acad Sci U S A 116, 16641-16650.

5. Qian, W., Miki, D., Zhang, H., Liu, Y., Zhang, X., Tang, K., Kan, Y., La, H., Li, X., Li, S., et al. (2012). A histone acetyltransferase regulates active DNA demethylation in Arabidopsis. Science 336, 1445-1448.