Genome Biology | 拟南芥DNA聚合酶ε参与异染色质形成的机制

撰文 | LX
责编 | 逸云

染色质是真核生物遗传信息的载体，其组成单位是核小体。核小体由147bp的DNA片段缠绕于组蛋白H2A，H2B，H3和H4组成的八聚体所构成。染色质根据形态可分为两种：结构松散，基因含量多的常染色质以及结构紧密，基因少，大部分是重复序列的异染色质。异染色质包含基因组上的大部分转座子 （TE） ，这些转座子通常处于转录沉默状态，形态结构上，异染色质区域会聚集在一起，形成明显的染色中心 【1】 。异染色质拥有明显不同于常染色质的表观遗传学修饰。主要体现在如下三方面：1，异染色质区域DNA高度甲基化。DNA的甲基化发生于DNA胞嘧啶上，分三种类型：CG甲基化、CHG甲基化和CHH甲基化。CG甲基化由甲基转移酶MET1催化，CHG甲基化主要由CMT3催化，CHH甲基化由CMT2或者24nt siRNA参与的RdDM （RNA介导的DNA甲基化） 途径所催化；2，异染色质富含组蛋白H3K9me及H3K27me1修饰。H3K9me由SUVH4/5/6所催化，组蛋白H3K9me与DNA CHG甲基化或CHH甲基化相互促进，相互依赖 【2】 。H3K27me1由ATXR5/6所介导，同时ATXR5/6还参与了DNA复制过程 【3】 ；3，异染色质富含组蛋白变体H2A.W及H3.1 【4】 。

DNA的复制由复制体 （replisome） 来完成，需要三种DNA聚合酶【5】，DNA聚合酶Pol α负责前导链和后随链的引物合成；Pol δ负责后随链的延伸；Pol ε负责前导链的延伸，Pol ε由多个亚基构成，其中催化亚基由POL2A所编码。在酵母和人类中的研究表明DNA的复制障碍会影响异染色质的形成，但关于复制体缺陷影响异染色质表观修饰的建成及TE沉默的具体机制目前还不清楚。

近日，法国克莱蒙奥弗涅大学 (Université Clermont-Auvergne) 的Olivier Mathieu教授团队在Genome Biology发表题为DNA polymerase epsilon is required for heterochromatin maintenance in Arabidopsis的研究论文， 发现拟南芥DNA聚合酶Pol ε对于维持异染色质的功能和结构具有重要意义，并揭示了DNA复制与DNA CHG甲基化间的关联。

该研究通过遗传筛选和等位突变，发现DNA聚合酶Pol ε 催化亚基的突变体pol2a-8、pol2a-10、pol2a-12中外源转基因GUS及内源的重复序列TSI 等的转录沉默被解除 （图1） ，RNA-seq表明在pol2a-12中转录上调的基因占差异表达基因的90%，其中包含555个蛋白质编码基因及256个转座子TE，这些TE主要是位于近着丝粒异染色质区域的LTR/Gypsy类型TE。观察异染色质的形态结构，研究者发现不同于WT中异染色质组成的浓缩的染色中心，pol2a-12中异染色质含量减少，染色中心形态变小但数目增多 （图2） 。这些结果表明POL2A对于维持异染色质TE沉默以及异染色质的正常形态结构具有重要作用。

图1. pol2a中外源转基因及内源TE转录沉默解除

在表观修饰方面，相比于WT，pol2a-12 中TE位点上组蛋白变体H2A.W含量没有明显变化，组蛋白H3K27me1修饰减少，DNA CG甲基化没有明显变化，CHG甲基化显著增加，CHH甲基化也有略微增加，与CHG甲基化相对应的组蛋白H3K9me2修饰也增加了。pol2a-12中CHG甲基化的增加不依赖于24nt siRNA的富集但主要依赖于CMT3介导的DNA甲基化过程。DNA CHG甲基化和组蛋白H3K9me2两种抑制性修饰的增加，似乎与TE的沉默解除相矛盾。研究者认为在pol2a中CHG甲基化和H3K9me2的增加是作为补偿机制用来拮抗TE沉默的解除和异染色质形态的破坏。研究还发现在其他DNA复制相关突变体包括atxr5/6、rpa2a、pold2、mail1以及用DNA复制压试剂羟基脲处理后，均会导致异染色质TE沉默的解除和CHG甲基化的增加，而且这种异染色质功能的改变与DNA损伤不相关但依赖于DNA复制胁迫的产生。

图2. pol2a中异染色质形态结构改变

综上所述，本研究证明了DNA聚合酶POLε通过促进染色中心的形成和TE的沉默在保持异染色质正常结构和功能上的重要作用，同时也揭示了恰当的DNA复制对于维持正常的DNA甲基化修饰是必不可少的。

参考文献：

[1] Rigal M, Mathieu O. A “mille-feuille” of silencing: epigenetic control of transposable elements. Biochim Biophys Acta -Gene Regul Mech. 2011 Aug;1809(8):452-8

[2] Du J, Johnson LM, Jacobsen SE, Patel DJ. DNA methylation pathways and their crosstalk with histone methylation. Nat Rev Mol Cell Biol. 2015;16(9):519-32

[3] Jacob Y, Feng S, LeBlanc CA, Bernatavichute YV, Stroud H, Cokus S, et al. ATXR5 and ATXR6 are H3K27 monomethyltransferases required for chromatin structure and gene silencing. Nat Struct Mol Biol. 2009;16(7):763-8.

[4] Yelagandula R, Stroud H, Holec S, Zhou K, Feng S, Zhong X, et al. The histone variant H2A.W defines heterochromatin and promotes chromatin condensation in Arabidopsis. Cell. 2014;158(1):98-109.

[5] Yin H, Zhang X, Liu J, Wang Y, He J, Yang T, et al. Epigenetic regulation, somatic homologous recombination, and abscisic acid signaling are influenced by DNA polymerase epsilon mutation in Arabidopsis. Plant Cell. 2009;21(2):386-402

https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-020-02190-1