宋吉奎合作团队揭示DNA形变作为调节植物DNA甲基化的新机理学术资讯

DNA胞嘧啶的甲基化是真核生物遗传物质DNA中最常见的修饰方式和生长发育过程中所必需的表观遗传机制。在植物中，DNA甲基化对于调控植物基因表达，尤其是对占据着植物基因组庞大体量的转座子沉默发挥着至关重要的作用。与动物基因组中DNA甲基化主要发生在CG位点不同的是，植物基因组中DNA的甲基化既大量发生在CG位点，也广泛出现在CHG以及CHH位点 (H = C, T 或 A)，从而达到对基因表达调控的多样性。由于建立和维持不同类型DNA甲基化的分子机制非常复杂，涉及多种蛋白质以及其他生物大分子的参与，对DNA甲基化调控的研究一直是表观遗传学领域的热点之一。

DRM2（domains rearranged methyltransferase 2 ）是植物体内一种关键的从头DNA甲基转移酶。有趣的是，DRM2在细胞内不仅作为所有DNA序列（无论是CG， CHG还是CHH）中胞嘧啶的从头DNA甲基转移酶，而且又参与基因组中CHH甲基化的维持。DRM2是如何特异性地甲基化DNA呢？研究表明，DRM2通过依赖一条24个核苷酸的小干扰RNA（small interfering RNAs, siRNA）介导的通路定位到染色体的特定部位，尤其是偏好定位在常染色质中的重复序列和长度不足1000个核苷酸的短转座子（short euchromatic transposable elements ）和异染色质区域中长转座子的边界区域，然后对其甲基化来抑制转座子的转录。然而，DRM2如何进行底物识别并特异性维持CHH甲基化的分子机制尚不明确。

2021年6月2日，美国加州大学河滨分校宋吉奎课题组与美国威斯康星大学钟雪花课题组合作在Science Advances 上发表了题为Substrate deformation regulates DRM2-mediated DNA methylation in plants的研究论文。该研究首次报道了植物DRM2和DNA复合物的晶体结构，并结合与不同序列DNA复合物的晶体结构比对以及通过转入拟南芥DRM2野生型和突变体的DNA甲基化测序分析，揭示了DRM2通过一种DNA形变的方式来实现对底物的选择性催化，从而在对短转座子沉默方面发挥了重要作用。该研究也首次提出了DNA形变作为一种DNA甲基转移酶底物识别新机制，在探索DNA甲基化的分子机制道路上迈出了重要一步。

首先，研究人员通过解析DRM2与一段富含AT碱基的DNA复合物晶体结构，发现DNA在与DRM2结合后发生了显著的构象变化。DRM2的氨基酸R595侧链嵌入到DNA互补链的两个碱基之间，导致相邻两个碱基间的距离变大，造成局部DNA构象发生显著的改变。为了稳定DNA这种构象变化，DRM2的底物识别结构域（TRD）通过表面互补的方式与变形的DNA大沟密切结合。值得一提的是，在DRM2-DNA结构中，TRD并未与底物进行基于化学基团的特异性作用，从而导致了DRM2对底物的识别不依赖于 DNA 序列。这一现象保证了 DRM2 底物的多样性，是其它已报道的DNA甲基转移酶-DNA复合物结构中所不具有的。在此基础上，研究人员还解析了DRM2与不同序列DNA复合物的结构，结果表明DNA形变及其与DRM2 中TRD结构域的作用方式是所有DRM2-DNA复合物的一个共性。

以往的研究表明，DNA形变通过引入对蛋白质-DNA相互作用的能量损耗，常成为影响蛋白质-DNA特异性相互作用的机制之一。而且，在A、T、C、G四个碱基中，AT 比GC序列更倾向于发生形变。与此相关的是，植物体内的短转座子区域序列富含AT碱基序列。那么，这种环境是否对DRM2介导的DNA甲基化进行调控呢？为回答这一问题，研究人员通过体外酶活实验比较了DRM2对各种底物的催化活性。结果表明，DRM2对CA和CT序列表现出很高的活性，但对CC和CG序列表现出较低的活性。在体外的重亚硫酸盐测序（bisulfite sequencing）也表明，DRM2对富含AT碱基构成的DNA偏好也体现在距离目标胞嘧啶相临近的-5～+7核苷酸距离之中。进一步在拟南芥中转入野生型和突变体的DRM2并进行DNA甲基化测序分析后发现，在转入野生型DRM2的植物中，DNA甲基化主要发生相邻位点为AT碱基的靶点，而在转入R595K突变的DRM2的植物中，DNA甲基化靶点相邻位置的这一富含AT的特征明显缺失。最后，研究人员通过一个C397R的点突变，对DRM2的TRD结构域进行改造, 使其具有对CHG 位点的特异性。转入这一DRM2突变型的植物甲基化图谱显示出明显的从CHH甲基化到CHG甲基化的转移。这一工作从而揭示出，DRM2利用DNA形变来实现对富含AT碱基的短转座子甲基化选择性地维护，以达到抑制其转录进而维持植物基因组稳定性。