Sci Adv丨高珊课题组发现6mA从头甲基化酶

DNA N6-甲基腺嘌呤（6mA）是表观遗传学领域近年来备受关注的一种重要修饰。越来越多的证据显示， 6mA 参与真核生物的转录调控、核小体定位、 DNA 复制等过程，在压力应激、胚胎发育、细胞生理状态、植物生长发育、肿瘤细胞生长、免疫应答等方面发挥重要的生物学功能【1-12】。解析真核生物 6mA 调控的分子机制，是深入理解其生物学功能的关键。

2025 年 5 月，中国海洋大学海洋生物多样性与进化研究所高珊教授 课题组在 Science Advances 杂志发表题为

Identification and characterization of the

de novo

methyltransferases for eukaryotic N

6

-methyladenine (6mA)

DNA 甲基化 的 完整动态调控 通路 包含建立和维持两个过程【13-15】。 高珊教授 团队前期 鉴定并刻画了单细胞真核生物特有的 6mA 甲基化酶 AMT1【16】， 揭示了其特异性偏好以 ApT 双核苷酸作为底物的特性。 团队 最新 研究发现 ， AMT1 可以分别和 MT-A70 家族的其它两个蛋白 AMT6 和 AMT7 形成 两个独立的 复合体， 通过分别识别转录和复制的信号，共同实现 基因组特定区域 6mA 的维持甲基化【17-18】。但 6mA 从头甲基化如何建立，仍是一个有待解答的重要科学命题。

单细胞真核生物四膜虫具有独特的双元核型（同一个细胞里有一个大核和一个小核）和有性生殖过程（接合生殖）。 无性生殖期间， 6mA 只分布于大核，在小核中完全缺失。而有性生殖时期，作为基因储存库 的母代小 核生成配子核、并进一步受精形成合子核。其中，部分合子核发育为子代新大核。在 此 过程中，没有 6mA 的合子核发育成有 6mA 的新大核，会发生全基因组范围的从头甲基化，为寻找 6mA 从头甲基化 酶提供 了理想的窗口期（图1）。

图1.四膜虫是研究6mA从头甲基化的理想模式：在合子核发育为子代新大核的过程中，6mA完全从头建立。

通过同源序列比对和系统树构建， 结合 细胞学和遗传学验证， 高珊教授团队将四膜虫 MT-A70 蛋白家族 的 7 个 6mA 甲基化酶 候选 蛋白（ AMT1-AMT7 ）划分为不同的功能组 。如 前 所述， AMT1 分别与 AMT6 和 AMT7 协同作用，主要 执行 维持性甲基化酶的功能【17】。新近工作发现， AMT3 和 AMT4 分别 为 M ETTL14 和 M ETTL3 的同源蛋白，以 RNA 为底物催化形成 m6A 修饰 。目前 ， 仅 有 AMT2 和 AMT5 的 功能未得到验证。

该 研究 发现， AMT2 和 AMT5 在有性生殖后期 显著 高表达 ，且 特异性分布在新大核中，和 6mA 从头甲基化发生的时间节点和位置都高度吻合（图2A-B）。 为 了 验证 二者 是否 具有 从头甲基化酶功能， 研究 团队构建了 AMT2 和 AMT5 单敲或双敲 的纯合株系。免疫荧光染色和 DNA 小分子质谱结果均显示， 敲除株系中 6mA 水平较野生型 显著 下降 ，降幅 约 为 80%（图2C）。 回补实验 表明 ，野生型 基因 回补可 有效 恢复 6mA 水平， 而 酶活关键 位点突变 的 回补 则 无法恢复，表明敲除 引起的 6mA 下降与甲基化酶活 性的 丢失直接相关（图2C）。

为了进一步 解析 敲除株系中 6mA 模式的变化，团队对流式分选 获得 的 子代 新大核进行了三代单分子实时测序（ SMRT-CCS ）（图2D）。结果 显示 ， AMT2/AMT5 敲除 导致新大核中的 6mA 位点 显著 减少， 而 少量 残留位点的甲基化水平也 明显下降。 团队随后进一步筛选 出一组 不依赖于维持性甲基化酶 A MT1 的位点，发现这些位点 在敲除株系中 的 甲基化水平 几乎降至零。上述结果 以单碱基分辨 率 、 在 单分子水平上证明 了 AMT2 和 AMT5 对于新大核中 6mA 图谱的正确建立至关重要。

图2.AMT2和AMT5调控新大核中6mA的从头建立。（A）AMT2和AMT5在新大核发育时期高表达；（B）AMT2和AMT5定位在新大核；（C）AMT2/AMT5敲除导致新大核6mA水平下降，野生型AMT2/AMT5回补可使新大核中6mA水平恢复，突变回补不能使6mA水平恢复；（D）SMRT-CCS结果显示敲除株系中6mA位点数大量减少，甲基化水平显著下降；（E）敲除株系后代中AMT1蛋白水平相比野生型上调；（F）AMT2/AMT5敲除导致后代存活率下降。

值得注意的是，残留位点仍具有全甲基化（两条链上的 A 均 被甲基化） 和 在基因 5 ’ 端核小体连接 D NA 上 富集等 特征 ，符合维持性甲基化酶 AMT1 的催化 特 性 。进一步分析发现， AMT1 在新大核发育时期高表达，并在这一时期特异性 定位 在新大核中。更为重要的是， AMT2 / AMT5 敲除细胞中的 AMT1 蛋白水平发生明显上调（图2E）。团队 此前 的体外酶活实验已 证明 ， AMT1 能够以无甲基化 DNA 为底物进行从头甲基化【17-18】。以上结果表明， 在合子核发育为子代新大核的过程中， A MT1 可以 在 AMT2 和 AMT5 缺失 的情况下 部分代偿其功能， 发挥从头甲基化的作用 。 但 由于缺乏 从头甲基化酶 的 基础 性“铺垫” ， A MT1 的催化位点数量有限 且甲基化效率低，从 而从 另一个侧面 强调了 AMT2 和 AMT5 的催化活性是新大核中 6mA 从头建立的关键和限速步骤。

敲除株系中 新大核 6mA 从头建立 的 破坏， 导致四 膜虫 有性 生 殖 过程 出现延迟 ，后代存活率也大幅下降（图2F）。 部分 可存活 后代在 重新 进入 无性 生殖 周期 后， 由于 AMT1 蛋白 水平的上调（图2E）， 其 6mA 可 在整体水平上 恢复 到 与野生型 相当 ，但这些后代仍 出现 生长缓慢、提前性成熟等 异常 表型， 提示虽然 A MT1 可在一定程度上补偿 6 mA 水平，但 从头 甲基化的 精确 建立对细胞生长发育 仍有不可替代的重要作用 。

基于以上结果，团队提出了 6mA 的调控通路 模型（图3）： 在野生型四膜虫 中 ，无 6mA 的合子核发育为有 6mA 的新大核的过程中， 从头甲基化酶 AMT2 和 AMT5 将 未 甲基化的腺嘌呤 催化 为半甲基化，随后 由 维持性甲基化酶 AMT1 将其进一步转化为全甲基化 ； 进入 无性 生殖时期后， A MT1 的持续 高表达 确 保了 6mA 在 细胞分裂过程中的稳定遗传。 在 AMT2/AMT5 敲除 细胞中 ， AMT1 同时 发挥 （ 较弱的 ） 从头甲基化酶 和维持性甲基化酶 活性， 仅能 在 极少数位点 添加 6mA 且 甲基化水平 显著偏低 ； 当细胞进入 无性 生殖时期后， AMT1 水平 的升高 使 大量未甲基化位点可以被甲基化， 但仍可能存在甲基化模式的 紊 乱 。

图3.野生型及AMT2/AMT5敲除株系中6mA的调控通路模型。

该研究 首次鉴定并刻画了真核生物中介导 6mA 添加的 从头 甲基转移酶， 揭示 了 6mA 修饰遵循建立–维持的 两步甲基化模式 。这一发现与经典的 5- 甲基胞嘧啶（ 5mC ）形成了有趣的对应关系：二者均识别回文序列（ ApT 与 CpG ），以半保留的方式遗传，并依赖两步甲基化过程完成修饰。考虑到 6mA 主要存在于单细胞真核生物，而 5mC 广泛分布于多细胞生物， 该 研究从 DNA 甲基化的角度为理解真核生物的分化与进化提供了新的视角。

Science Advances同期发表由波兰分子和细胞生物学研究所Matthias Bochtler教授为该 研究 撰写的题为

Introducing the

other

type of DNA methylation

该研究由中国海洋大学海洋生物多样性与进化研究所高珊 教授课题组 完成。 高珊教授课题组 的博士生程婷、张佳晨、李海程、刁静涵为该文章的共同第一作者 ， 高珊教授为文章的通讯作者。云南大学章文信副教授 ， 高珊 教授课题组 博士生牛俊骅 ， 日本基础生物学研究所 Kensuke Kataoka 副研究员 、 Takayuki Kawaguchi 博士 和 Jun- ichi Nakayama 教授对本文亦有重要贡献。

https://doi.org/10.1126/sciadv.adq4623

评论性文章链接：

https://doi.org/10.1126/sciadv.adx6879

制版人：十一

参考文献

1. Fu, Y., Luo, G.-Z., Chen, K., Deng, X., Yu, M., Han, D., Hao, Z., Liu, J., Lu, X., Doré, Louis C., Weng, X., Ji, Q., Mets, L., and He, C., N 6 -methyldeoxyadenosine marks active transcription start sites in Chlamydomonas .Cell, 2015. 161(4): 879-892.

2. Greer, E.L., Blanco, M.A., Gu, L., Sendinc, E., Liu, J., Aristizábal-Corrales, D., Hsu, C.-H., Aravind, L., He, C., and Shi, Y., DNA methylation on N 6 -adenine in C. elegans .Cell, 2015. 161(4): 868-878.

3. Zhang, G., Huang, H., Liu, D., Cheng, Y., Liu, X., Zhang, W., Yin, R., Zhang, D., Zhang, P., Liu, J., Li, C., Liu, B., Luo, Y., Zhu, Y., Zhang, N., He, S., He, C., Wang, H., and Chen, D., N 6 -methyladenine DNA modification in Drosophila .Cell, 2015. 161(4): 893-906.

4. Beh, L.Y., Debelouchina, G.T., Clay, D.M., Thompson, R.E., Lindblad, K.A., Hutton, E.R., Bracht, J.R., Sebra, R.P., Muir, T.W., and Landweber, L.F., Identification of a DNA N6-adenine methyltransferase complex and its impact on chromatin organization.Cell,2019. 177(7): 1781-1796.

5. Zhang, S., Li, B., Du, K., Liang, T., Dai, M., Huang, W., Zhang, H., Ling, Y., and Zhang, H., Epigenetically modified N 6 -methyladenine inhibits DNA replication by human DNA polymerase iota.Biochimie, 2020. 168: 134-143.

6. Ma, C., Niu, R., Huang, T., Shao, L.-W., Peng, Y., Ding, W., Wang, Y., Jia, G., He, C., Li, C.-Y., He, A., and Liu, Y., N 6 -methyldeoxyadenine is a transgenerational epigenetic signal for mitochondrial stress adaptation.Nature Cell Biology, 2019. 21(3): 319-327.

7. Yao, B., Cheng, Y., Wang, Z., Li, Y., Chen, L., Huang, L., Zhang, W., Chen, D., Wu, H., Tang, B., and Jin, P., DNA N 6 -methyladenine is dynamically regulated in the mouse brain following environmental stress.Nature Communications, 2017. 8(1): 1122.

8. Liu, J., Zhu, Y., Luo, G.-Z., Wang, X., Yue, Y., Wang, X., Zong, X., Chen, K., Yin, H., Fu, Y., Han, D., Wang, Y., Chen, D., and He, C., Abundant DNA 6mA methylation during early embryogenesis of zebrafish and pig.Nature Communications, 2016. 7(1): 13052.

Wu, T.P., Wang, T., Seetin, M.G., Lai, Y., Zhu, S., Lin, K., Liu, Y., Byrum, S.D., Mackintosh, 9. S.G., Zhong, M., Tackett, A., Wang, G., Hon, L.S., Fang, G., Swenberg, J.A., and Xiao, A.Z., DNA methylation on N 6 -adenine in mammalian embryonic stem cells.Nature, 2016. 532(7599): 329-333.

10. Liang, Z., Shen, L., Cui, X., Bao, S., Geng, Y., Yu, G., Liang, F., Xie, S., Lu, T., Gu, X., and Yu, H., DNA N 6 -adenine methylation in Arabidopsis thaliana .Developmental Cell, 2018. 45(3): 406-416.

11. Xie, Q., Wu, T.P., Gimple, R.C., Li, Z., Prager, B.C., Wu, Q., Yu, Y., Wang, P., Wang, Y., Gorkin, D.U., Zhang, C., Dowiak, A.V., Lin, K., Zeng, C., Sui, Y., Kim, L.J.Y., Miller, T.E., Jiang, L., Lee-Poturalski, C., Huang, Z., Fang, X., Zhai, K., Mack, S.C., Sander, M., Bao, S., Kerstetter-Fogle, A.E., Sloan, A.E., Xiao, A.Z., and Rich, J.N., N 6 -methyladenine DNA modification in glioblastoma.Cell, 2018. 175(5): 1228-1243.

12. Ma, C., Xue, T., Peng, Q., Zhang, J., Guan, J., Ding, W., Li, Y., Xia, P., Zhou, L., Zhao, T., Wang, S., Quan, L., Li, C.-Y., and Liu, Y., A novel N 6 -deoxyadenine methyltransferase METL-9 modulates C. elegans immunity via dichotomous mechanisms.Cell Research, 2023. 33(8): 628-639.

13. Stein, R., Gruenbaum, Y., Pollack, Y., Razin, A., and Cedar, H., Clonal inheritance of the pattern of DNA methylation in mouse cells.Proceedings of the National Academy of Sciences, 1982. 79(1): 61-65.

14. Pedrali-Noy, G. and Weissbach, A., Mammalian DNA methyltransferases prefer poly(dI-dC) as substrate.Journal of Biological Chemistry, 1986. 261(17): 7600-7602.

15. Okano, M., Bell, D.W., Haber, D.A., and Li, E., DNA methyltransferases Dnmt3a and Dnmt3b are essential for de novo methylation and mammalian development.Cell, 1999. 99(3): 247-257.

16. Wang, Y., Sheng, Y., Liu, Y., Zhang, W., Cheng, T., Duan, L., Pan, B., Qiao, Y., Liu, Y., and Gao, S., A distinct class of eukaryotic MT-A70 methyltransferases maintain symmetric DNA N 6 -adenine methylation at the ApT dinucleotides as an epigenetic mark associated with transcription.Nucleic Acids Research, 2019. 47(22): 11771-11789.

17. Wang, Y., Nan, B., Ye, F., Zhang, Z., Yang, W., Pan, B., Wei, F., Duan, L., Li, H., Niu, J., Ju, A., Liu, Y., Wang, D., Zhang, W., Liu, Y., and Gao, S., Dual modes of DNA N 6 -methyladenine maintenance by distinct methyltransferase complexes.Proceedings of the National Academy of Sciences, 2025. 122(3): e2413037121.

18. Sheng, Y., Wang, Y., Yang, W., Wang, X.Q., Lu, J., Pan, B., Nan, B., Liu, Y., Ye, F., Li, C., Song, J., Dou, Y., Gao, S., and Liu, Y., Semiconservative transmission of DNA N 6 -adenine methylation in a unicellular eukaryote.Genome Research, 2024. 34(5): 740-756.

（可上下滑动阅览）

学术合作组织

（*排名不分先后）

战略合作伙伴

（*排名不分先后）

（*排名不分先后）

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

会议资讯

近期直播推荐