Nature Plants | Steven Jacobsen团队揭示植物MBD2蛋白在精细胞形成过程中维持转座子沉默的新机制

责编 | 王一

在植物生长发育和繁殖的过程中，DNA甲基化作为表观修饰的一种，扮演着不可替代的角色【1,2】。DNA甲基化在转座子上的作用尤为显著，它通过导致转录沉默抑制转座子活性，防止其对DNA造成损害，确保了基因组的稳定和遗传物质的准确传递。尽管DNA甲基化与转录沉默之间的关系已被广泛报道，但二者间的具体作用机制尚未明确。

拟南芥Methyl-CpG Binding Domain(MBD)蛋白能够识别DNA甲基化位点，并可能影响后续的转录活动。已知MBD5和MBD6能识别DNA甲基化并通过招募热休克蛋白来实现转录沉默【3,4】。而在拟南芥的MBD蛋白家族中，还有11个成员尚未被研究，尤其是MBD1、MBD2和MBD4，这三者是否同样能识别DNA甲基化并导致转录沉默，进而影响植物发育，是一个值得探究的重要课题。

近日，加州大学洛杉矶分校Steven E. Jacobsen教授领导的研究团队在Nature Plants上发表了题为MBD2 couples DNA methylation to transposable element silencing during male gametogenesis的研究论文，揭示了植物MBD2蛋白在精细胞形成期间维持转座子沉默的机制，及其在保障基因组的完整性中发挥的重要功能。

该研究通过ChIP-seq技术发现MBD2和MBD4能够结合CG甲基化位点，包括异染色质和RNA介导的DNA甲基化（RdDM）区域的转座子。研究进一步发现，位于MBD结构域内的精氨酸对于MBD2和MBD4识别DNA甲基化至关重要，并且MBD2蛋白可以在不引入DNA甲基化的情况下，直接抑制FWA基因的转录，表明MBD2的作用发生在DNA甲基化的下游。

此前研究表明，MBD1/2/4在生物及非生物应激条件下对基因有调节作用，但这些研究并未发现它们对转座子活性有影响【5,6】。考虑到此前的研究主要集中在拟南芥幼苗上，而MBD5和MBD6在早期花粉细胞发育中能抑制转座子【7】，研究人员推测MBD2可能具有相似作用。通过对成熟花粉细胞的研究，发现MBD2的缺失导致某些转座子变得活跃，而MBD1和MBD4并不具有这种作用。为了进一步了解MBD2对转座子具体的时空调控模式，研究团队对mbd2突变体的花苞和花粉进行了单细胞核转录组测序。 研究人员成功在小孢子核（MN），生殖细胞核 （GN），精子核（SN），以及管细胞核（VN）中检测到了MBD2基因的表达，并发现MBD2主要在成熟管细胞核中抑制转座子活性，并与MBD5和MBD6在功能上形成互补。此外，全基因组重亚硫酸盐测序(WGBS)明确了MBD2并不影响花粉细胞DNA甲基化，说明了MBD2在DNA甲基化下游的转录沉默中发挥功能。

作者推测MBD2可能与其他抑制途径一起，共同参与抑制转座子的活性，并据此对mbd高阶突变体中的转座子转录进行了分析。在mbd2 mbd5 mbd6三突（mbd256）中，活跃转座子的数量及表达量显著高于mbd2单突和mbd5 mbd6双突（mbd56），这表明MBD2与MBD5/6协同抑制转座子。研究还探究了DNA甲基化和H3K9甲基化的下游机制如何共同影响转座子。已知Agenet Domain Containing Protein 1 (ADCP1) 能识别H3K9me2并通过液液相分离维持异染色质【8】。在mbd2 adcp1双突变体中，转座子的活跃性大幅增加，表明MBD2和ADCP1在抑制转座子上有协同作用。这些结果表明，转座子的沉默机制具有冗余性，在进化过程中共同保障基因组完整性和稳定性的作用。

尽管有研究显示SANT和HDA6蛋白可能与MBD2相互作用【5,6】，但这两者能否单独解释MBD2介导的转录沉默尚未明确。通过对突变体进行RNA-seq和ChIP-seq分析，研究者发现SANT和HDA6并不能充分解释MBD2的转座子沉默作用，这意味着MBD2的沉默机制还需要进一步的研究来阐明。

图1 植物MBD2蛋白在精细胞形成期间维持转座子沉默的机制图

综上所述，MBD2通过识别DNA甲基化，在精子形成过程中保持转座子沉默，而MBD1和MBD4没有相似功能。MBD2在DNA甲基化的下游沉默转座子，并且不依赖SANT或HDA6蛋白。MBD2，MBD5/6以及ADCP1冗余地抑制转座子活性，揭示了植物在进化过程中对抗转座子增殖的多样化策略。这一多元沉默途径反映了植物基因组为了保护其完整性，与转座子的增殖进行了激烈的进化竞争(图1)。这项研究提供了关于植物精卵细胞如何准确传递遗传物质给下一代的新见解，并对未来关于基因组稳定性的研究提供了新的理论支持。Nature Plants 同期刊发了唐纳德-丹佛斯植物科学中心R. Keith Slotkin教授题为”Gene silencing: Reading banned regions of genomes” (图2)的点评文章【9】。

图2 Nature Plants同期刊发R. Keith Slotkin教授的点评文章

加州大学洛杉矶分校博士生王姝娅为论文第一作者，加州大学洛杉矶分校HHMI研究员Steven E. Jacobsen教授为论文通讯作者。该论文得到NIH、HHMI等基金项目资助。

参考文献

1.Law, Julie A., and Steven E. Jacobsen. “Establishing, Maintaining and Modifying DNA Methylation Patterns in Plants and Animals.” Nature Reviews Genetics 11, no. 3 (March 2010): 204–20. https://doi.org/10.1038/nrg2719.

2.Zhang, Huiming, Zhaobo Lang, and Jian-Kang Zhu. “Dynamics and Function of DNA Methylation in Plants.” Nature Reviews Molecular Cell Biology 19, no. 8 (August 2018): 489–506. https://doi.org/10.1038/s41580-018-0016-z.

3.Boone, Brandon A., Lucia Ichino, Shuya Wang, Jason Gardiner, Jaewon Yun, Yasaman Jami-Alahmadi, Jihui Sha, et al. “ACD15, ACD21, and SLN Regulate the Accumulation and Mobility of MBD6 to Silence Genes and Transposable Elements.” Science Advances 9, no. 46 (November 17, 2023): eadi9036. https://doi.org/10.1126/sciadv.adi9036.

4.Ichino, Lucia, Brandon A. Boone, Luke Strauskulage, C. Jake Harris, Gundeep Kaur, Matthew A. Gladstone, Maverick Tan, et al. “MBD5 and MBD6 Couple DNA Methylation to Gene Silencing through the J-Domain Protein SILENZIO.” Science 372, no. 6549 (June 25, 2021): 1434–39. https://doi.org/10.1126/science.abg6130.

5.Zhou, Xishi, Junna He, Christos N. Velanis, Yiwang Zhu, Yuhan He, Kai Tang, Mingku Zhu, et al. “A Domesticated Harbinger Transposase Forms a Complex with HDA6 and Promotes Histone H3 Deacetylation at Genes but Not TEs in Arabidopsis.” Journal of Integrative Plant Biology 63, no. 8 (August 2021): 1462–74. https://doi.org/10.1111/jipb.13108.

6.Feng, Chao, Xue-Wei Cai, Yin-Na Su, Lin Li, She Chen, and Xin-Jian He. “Arabidopsis RPD3-like Histone Deacetylases Form Multiple Complexes Involved in Stress Response.” Journal of Genetics and Genomics 48, no. 5 (May 2021): 369–83. https://doi.org/10.1016/j.jgg.2021.04.004.

7.Ichino, Lucia, Colette L. Picard, Jaewon Yun, Meera Chotai, Shuya Wang, Evan K. Lin, Ranjith K. Papareddy, Yan Xue, and Steven E. Jacobsen. “Single-Nucleus RNA-Seq Reveals That MBD5, MBD6, and SILENZIO Maintain Silencing in the Vegetative Cell of Developing Pollen.” Cell Reports 41, no. 8 (November 2022): 111699. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111699.

8.Zhao, Shuai, Lingling Cheng, Yifei Gao, Baichao Zhang, Xiangdong Zheng, Liang Wang, Pilong Li, Qianwen Sun, and Haitao Li. “Plant HP1 Protein ADCP1 Links Multivalent H3K9 Methylation Readout to Heterochromatin Formation.” Cell Research 29, no. 1 (January 2019): 54–66. https://doi.org/10.1038/s41422-018-0104-9.

9.Kramer, Marianne C., Ryan Swanson, and R. Keith Slotkin. “Reading Banned Regions of Genomes.” Nature Plants, January 15, 2024. https://doi.org/10.1038/s41477-023-01600-z.

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-023-01599-3