新突破！揭示水稻受精过程DNA甲基化的重塑机制学术资讯

胞嘧啶甲基化是一种DNA的共价修饰，调控真核基因组的重要过程，包括基因转录、转座子沉默和基因组印迹。DNA甲基化模式在细胞分裂时被忠实地复制，以确保基因组的完整性和维持谱系特异性细胞命运。然而，DNA甲基化也需要在发育过程中进行动态的重新编程或重新配置，以实现新的细胞特征和转录状态的建立，这在动物的发育和繁殖过程中起着重要作用。在开花植物中，在生殖过程中也记录了多个局部的小规模表观遗传动力学和重构波。例如，在受精之前，营养细胞和中心细胞(精子和卵子的伴生细胞)的局部去甲基化被发现是种子活力的关键。受精后，拟南芥、大豆和水稻的胚乳和胚基因组发生甲基化重组。虽然DNA糖基化酶和从头甲基化途径涉及其中一些过程，但它们的许多生物学功能仍有待完全阐明。

2021年6月8日，华中农业大学周道绣教授团队在Molecular Plant在线发表题为DNA demethylases remodel DNA methylation in rice gametes and zygote and are required for reproduction的研究论文，该研究利用单细胞测序技术对水稻受精前后的雌雄配子体和合子细胞进行DNA甲基化组和转录组分析，揭示了水稻受精过程DNA甲基化的重塑机制

2021年7月15日， Molecular Plant 期刊的Spotlight专栏配发了自美国北卡罗莱纳州立大学的Tzung-Fu Hsieh教授团队的题为“Epigenetic Remodeling by DNA Glycosylases During Rice Production”的专评文章。指出该研究有力地表明了生殖细胞中这三种DNG糖基化酶的局部去甲基化可能为配子成功受精提供“准备”，并为早期胚胎发生期间的快速细胞分裂和分化做好准备。该工作提供了大量令人兴奋的新数据，极大地丰富和扩展了我们对水稻繁殖过程中表观遗传的知识。

在拟南芥中，营养细胞（VC，精子的伴生细胞）和中央细胞（CC，卵子的伴生细胞）的广泛去甲基化主要取决于DNA糖基化酶DEMETER（DME）的活性。DME在拟南芥繁殖过程中的主要功能是建立基因印迹并加强跨代TE沉默。

尽管在单子叶中没有发现DME的同源基因，但水稻ROS1a (DNG702)在水稻品种Nipponbare中被证明DME的对等基因。与拟南芥的VC类似，与精子基因组相比，水稻VC细胞基因组也以依赖于ROS1a进行着广泛的去甲基化。因此，在水稻和拟南芥中，通过DNA糖基化酶进行配子伴生细胞表观遗传重构是一种进化上保守的现象。

尽管存在着这些保守机制，但水稻和拟南芥之间存在许多不同的特征。例如，DME的表达主要局限于拟南芥的配子伴生细胞，而ROS1a在水稻发育过程中广泛表达。这表明，在拟南芥中，ROS1a的配子伴生细胞功能被授予给了DME, 那么在水稻中，ROS1a也可能在配子形成和种子发育中发挥作用。

Nipponbare参照基因组编码至少4种DNA去甲基化酶DNG701-DNG704。除DNG702/ROS1a在配子伴生细胞中的作用外，这些DNA糖基化酶在生殖细胞和受精卵中的功能目前尚不清楚。

周道绣教授团队通过对野生型和突dng变体(品种Dongjing)的配子、受精卵和发育胚胎进行全面的DNA甲基组研究。作者通过显微操作分离水稻雌雄配子和合子细胞进行DNA甲基化组和转录组测序，研究发现相对于雌雄配子，受精6.5小时的水稻合子基因组上发生了一定程度的区域性的甲基化重塑。在受精3天的球形胚到成熟胚的发育过程中DNA甲基化重塑则涉及更广泛的基因组区域，DNA甲基化重塑的位点主要集中在基因组上编码 24 nt siRNA的区段。为了探究变化机制，分别创建了DNG702的单突变体和DNG701/DNG704的双突变体(dng701/4)，遗传分析发现DNG702突变以后不能产生可育的胚，而DNG701、DNG704突变以后则会导致部分种子的胚发育迟缓或败育。由此表明水稻去甲基化酶在合子起始（ZGA）以及胚发育过程中起着重要作用。

该研究结果表明，与哺乳动物不同，水稻配子和合子基因组DNA似乎不存在广泛的去甲基化过程，只有区域性的DNA甲基化进行重塑。在此过程中 DNA去甲基化酶发挥关键性作用，与此同时，这些去甲基化酶通过控制DNA甲基化重塑影响卵细胞和合子特异表达基因的转录水平及发育过程。该研究对于解析植物 DNA 甲基化修饰在生殖过程中的传递与重建机制及其对基因表达和生殖发育的表观调控具有重大意义。