Nature Commun. | 宋吉奎/钟雪花合作团队揭示植物CHG DNA甲基化调控的新机制

责编 | 王一

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为A,T,C），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。

植物中不同类型的DNA甲基化由不同的DNA甲基化酶来实施，其中MET1维持CG，CMT3维持CHG，CMT2和DRM2甲基化CHH。CMT3是关键的维持CHG甲基化的DNA甲基转移酶。那么，CMT3是如何特异性地甲基化DNA CHG位点呢？以往的研究表明，植物基因组内CHG DNA甲基化与组蛋白H3K9位的二甲基化修饰（H3K9me2）密切相关，形成了正反馈调节机制。CMT3通过依赖H3K9me2特异组蛋白修饰介导的通路定位到染色体的特定部位，然后对CHG DNA甲基化。然而，CMT3如何通过对组蛋白H3K9me2的识别而特异性维持CHG甲基化的分子机制尚不清楚。

近日，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Nature Communications上发表了题为Mechanistic basis for maintenance of CHG DNA methylation in plants的论文，首次报道了拟南芥CMT3在玉米中的同源蛋白ZMET2与组蛋白甲基化类似物H3Kc9me2和半甲基化DNA复合物的晶体结构，并结合转入拟南芥CMT3野生型和突变体的DNA甲基化测序分析，揭示了CMT3通过多层次的分子机制实现对CHG DNA的选择性甲基化，从而在对转座子沉默等方面发挥了重要作用。继2021年该合作组报道从头DNA甲基化酶DRM2通过底物形变甲基化DNA后（点击查看：），该研究也再次发现CMT3也采用DNA形变作为一种DNA甲基转移酶底物识别的机制，在探索DNA甲基化的分子机制道路上迈出了重要一步。

研究人员首先通过解析ZMET2与一段含有半甲基化CAG（hmCAG）的DNA复合物晶体结构，发现ZMET2在与组蛋白H3Kc9me2结合后的催化活性区发生了显著的构象变化。使得ZMET2的氨基酸R630以及邻近残基靠近DNA的骨架，促进了ZMET2对底物的结合，为进一步完成底物的催化奠定了基础。这也为组蛋白修饰可直接参与甲基转移酶活性调控提供了结构生物学依据。

研究人员还发现，组蛋白H3K18位氨基酸对组蛋白H3与ZMET2的结合起到至关重要的作用。H3K18位可以发生翻译后修饰，其中H3K18位乙酰化修饰很大程度上减弱了DNA甲基转移酶的活性。之前的研究发现，在转录抑制的基因组区域，DNA CHG的甲基化程度较高，与之相伴的是组蛋白H3K9发生二甲基化；而在转录较为活跃的区域，DNA CHG的甲基化程度较低，而组蛋白H3K18的乙酰化修饰程度较高。此次发现首次报道了组蛋白乙酰化修饰调控DNA甲基转移酶活性。

针对CMT3如何特异识别CHG，研究人员发现ZMET2的R804与甲基化位点后第2位（+2）G通过形成氢键而产生特异性识别作用，其他残基如H808和Y776识别位于模板链的mC，保证了对hmCHG的特异性识别。此外，作者还发现ZMET2与DRM2类似，对+1位DNA底物序列具有偏好性，倾向于AT而非CG，表现为ZMET2对CAG和CTG序列（即CWG）具有很高的活性，但对CCG和CGG序列活性较低。以往的研究表明，在A、T、C、G四个碱基中， AT 比GC序列更倾向于发生形变。合作团队的两项研究表明DNA形变在植物中是一种重要的DNA甲基转移酶识别底物的机制。

图1. CMT3维持CHG DNA甲基化的多重分子机制。

综上，该研究揭示了CMT3维持CHG DNA甲基化的多重机制。1. 识别H3K9me2和无修饰的H3K18导致CMT3变构激活；2. 通过R804氨基酸与+2 G形成的氢键等一系列相互作用特异性识别hmCHG; 3. CMT3与DNA的结合诱导DNA底物形变而进一步产生对+1为序列的偏好性而更加倾向于甲基化CWG（图1）。

加州大学河滨分校房健博士，威斯康星大学博士后蒋建军和博士生Sarah Leichter为该文共同第一作者。宋吉奎教授和钟雪花教授为共同通讯作者。

据悉，宋吉奎教授组正在招收结构生物学的博士后， 欢迎联系 （jikui.song@ucr.edu）。钟雪花教授于2022年7月转入圣路易斯华盛顿大学（Washington University in St. Louis），目前正招收博士后，欢迎联系（https://biology.wustl.edu/people/xuehua-zhong）。蒋建军博士于2022年加入河南大学省部共建作物逆境适应与改良国家重点实验室建立课题组，主要研究大豆-根瘤菌共生固氮中的表观遗传机制，欢迎有兴趣加入课题组的学生和博士后联系（jjiang@henu.edu.cn）。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-31627-3