新功能！植物所王雷组揭示DNA甲基化调控植物生物钟周期

来源：iPlants

植物生物钟通过协调细胞内代谢和生理活动的节律性以适应由地球自转而产生的生存环境的昼夜光温周期性变化，从而为植物的生长和发育提供适应性优势。精准维持细胞内自主的生物钟周期对植物的生长发育及对环境的适应性至关重要。植物生物钟核心振荡器的网络架构主要由多个核心组分通过相互连锁的转录-翻译反馈环而组成。它们的表达水平和活性除了受到严格的转录及转录后水平调控以外，表观修饰也在其中发挥着重要作用。目前组蛋白修饰对多种真核生物的生物节律调控的研究已经十分深入，然而DNA甲基化是否以及如何调控真核生物的生物钟周期尚不清楚。

2021年3月2日，Nucleic Acids Research在线发表了来自中国科学院植物研究所王雷研究员课题组题为“SDC mediates DNA methylation-controlled clock pace by interacting with ZTL in Arabidopsis”的研究论文，揭示了DNA甲基化是植物生物钟周期精准维持的新的重要表观调控因子，并深入解析了F-box蛋白SDC协同蛋白质级联降解途径介导DNA甲基化精准调控植物生物钟周期的新机制。

该研究发现，DNA甲基转移酶抑制剂5-aza-dC和Zebularine处理都可以显著延长拟南芥生物钟周期，且在不同的拟南芥生态型中呈现类似趋势。进一步研究发现，DNA甲基转移酶功能缺失突变体，无论CG类型的DNA甲基转移酶突变体met1-3还是non-CG类型的DNA甲基转移酶四突变体drm1 drm2 cmt2 cmt3 (ddc2c3) 都表现出生物钟周期延长的表型。然而5-aza-dC处理及拟南芥DNA甲基转移酶功能缺失突变体的多时间点转录组数据联合拟南芥甲基化组数据分析，并没有鉴定到直接受DNA甲基化调控的已知生物钟核心组分，有趣的是，该研究发现了一个参与生物钟周期调控的主要候选基因SDC (SUPPRESSOR OF drm1 drm2 cmt3)。

为了进一步探究是否SDC的启动子甲基化水平降低而导致其表达水平上升参与生物钟周期的调控，该研究构建了SDC基因的过表达株系。结果发现，SDC过表达株系的生物钟周期明显延长，其下胚轴在各种光周期条件下显著变短。重要的是，ddc2c3 sdc五突变体的生物钟周期和下胚轴表现出类似野生型的表型，充分说明SDC是DNA甲基化修饰调控生物钟周期的关键因子 (Causal factor)。

SDC基因编码一个底物未知的F-box类E3泛素连接酶。为深入解析SDC蛋白调控生物钟周期的机制，该研究通过蛋白互作手段系统筛选了其互作蛋白，发现SDC蛋白可以与参与生物钟周期调控的另一F-box蛋白ZTL存在特异性互作，并可在体内促进其蛋白降解。遗传学证据进一步表明ZTL及其底物TOC1的突变体都作用于DNA甲基转移酶的下游以精准调控生物钟周期。

综上所述，该研究不但发现了DNA甲基化修饰是在表观水平调控生物钟周期的新参数，而且系统解析了由蛋白降解级联途径SDC-ZTL-TOC1介导的DNA甲基化精准调控生物钟周期的新机制，丰富了在表观水平对生物钟周期调控的认识。该研究也为哺乳动物或其它真核生物DNA甲基化调控生物钟周期提供了借鉴和思路。

中国科学院植物所植物分子生理重点实验室博士研究生田文文和助理研究员王如意博士为该论文共同第一作者。王雷研究员为本文的通讯作者。该研究得到了中国科学院战略先导研究计划、国家自然科学基金和中国科学院基金的资助。

值得一提的是，王雷研究员团队近年来围绕“植物生物钟与下游信号网络解析”这一核心科学问题开展工作，在生物钟调控发育可塑性和环境适应性的分子网络以及蛋白修饰与表观遗传精准调控生物钟方面取得了一系列重要原创性研究成果，相关成果发表在Nucleic Acids Research、Molecular Plant（封面论文）、EMBO Journal和Plant Physiology等重要刊物上。

文章链接：

https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkab128/6155938