PNAS｜Jacobsen/Henderson团队合作揭示植物CDCA7维持DNA甲基化的新机制

DNA甲基化（DNA methylation）是维持基因组稳定的关键表观修饰。在植物和哺乳动物中，异染色质（heterochromatin）和着丝粒区域通常高度压缩，富集核小体和组蛋白H1，这对DNA甲基转移酶维持DNA甲基化构成了物理障碍。为了克服这一障碍，染色质重塑因子（如拟南芥中的DDM1和哺乳动物中的HELLS）发挥了至关重要的作用。在哺乳动物中，HELLS依赖于辅助因子CDCA7来定位并激活其活性；CDCA7的突变会导致着丝粒区域DNA低甲基化，进而引发免疫缺陷、着丝粒不稳定和面部异常综合征（ICF syndrome）。然而，植物中是否存在功能保守的CDCA7同源蛋白，以及它们如何协助DNA甲基化维持，此前尚不清楚。

近日，加州大学洛杉矶分校Steven E. Jacobsen团队和剑桥大学Ian R. Henderson团队合作在PNAS上发表了题为CDCA7 facilitates MET1-mediated CG DNA methylation maintenance in centromeric heterochromatin via linker histone H1的研究论文。该研究鉴定并解析了拟南芥中两个CDCA7同源蛋白（CDCA7α和CDCA7β）的功能，揭示了它们通过解开组蛋白H1（linker histone H1）对染色质的压缩直接促进MET1活性，来维持着丝粒异染色质区域CG甲基化的机制。

研究人员首先在拟南芥基因组中鉴定了两个与人类CDCA7高度同源的蛋白，分别命名为CDCA7α和CDCA7β。遗传学分析显示，cdca7α cdca7β 双突变体在着丝粒周围异染色质区域（pericentromeric regions）和着丝粒卫星重复序列（centromeric satellite repeats, CEN178）处表现出显著的CG甲基化丢失。

图一：CDCA7α和CDCA7β维持异染色质DNA甲基化

为了探究CDCA7维持DNA甲基化的染色质环境依赖性，研究人员利用机器学习模型分析发现，富含H1、H2A.W和H3K9me2的致密异染色质核小体区域高度依赖CDCA7蛋白来维持CG甲基化。进一步的机制研究发现，在 cdca7α cdca7β 背景下缺失组蛋白H1（h1.1 h1.2）可以很大程度上恢复异染色质区域的DNA甲基化水平。这一结果表明，在野生型植物中，CDCA7的主要功能是重塑含有H1的核小体，从而帮助DNA甲基转移酶MET1和辅助因子VIM克服H1的物理阻碍，接触到底物DNA。

图二：CDCA7α和CDCA7β通过克服组蛋白H1对甲基转移酶的抑制来维持异染色质DNA甲基化水平

有趣的是，研究还发现在 h1.1 h1.2 双突变体中，着丝粒卫星重复序列的CG甲基化水平反而显著升高，表明H1在这些特定区域对DNA甲基化维持具有抑制作用。而在 h1.1 h1.2 cdca7α cdca7β 四突变体中，这种超甲基化现象消失，说明 CDCA7α和CDCA7β还具有不依赖于H1的第二重功能，即直接促进MET1在核小体上的活性。

综上所述，该研究不仅在植物中证实了CDCA7作为DNA甲基化调控因子的演化保守性，还提出了CDCA7维持异染色质DNA甲基化的精细模型：一方面通过拮抗组蛋白H1的抑制作用开放染色质，另一方面直接协同MET1活性。这些发现为理解真核生物如何在致密染色质环境中维持表观遗传记忆提供了新的视角，也为深入解析ICF综合征的致病机理提供了线索。

图三：CDCA7α和CDCA7β直接促进甲基转移酶·MET1在着丝粒卫星重复序列的活性

王姝娅博士（现哈佛大学博士后）为该论文的第一作者。Steven E. Jacobsen院士和Ian R. Henderson教授为共同通讯作者。

论文链接：

https://10.1073/pnas.2526408122