Science | 戴大伟等揭示植物器官衰老的表观遗传学基础

DNA甲基化（DNA methylation）是一种可遗传的表观修饰，由DNA甲基转移酶催化胞嘧啶（Cytosine）形成5-甲基胞嘧啶（5mC），在基因表达调控、转座子沉默和基因印记等生命过程中发挥关键作用。在哺乳动物细胞中，DNA甲基化主要发生于CG序列；在植物细胞中DNA甲基化不仅发生在CG位点，还分布于CHG和CHH位点（H代表A、T或C），通过动态调控基因表达、沉默转座子和维持染色体稳定，广泛影响植物发育及逆境响应。

衰老（Aging）是生命过程中不可逆转的自然现象，对人类健康有着深远的影响。在哺乳动物中，DNA甲基化程度随年龄的规律性改变已成为最具特征及前景的衰老标志之一（Epigenetic Clock，也称“DNA甲基化时钟”）。然而，哺乳动物衰老模型研究周期长且复杂，加之无脊椎动物衰老研究模型（如线虫）天然缺失DNA甲基化，极大限制了对“DNA甲基化时钟”分子机制的深入研究。

近日，加州大学伯克利Ben Williams课题组在

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Aging drives a program of DNA methylation decay in plant organs

拟南芥（Arabidopsis thaliana）是一种被广泛研究的模式植物，因其生命周期短、结实量大、基因组小且易于遗传操作等优点，在植物分子遗传学和发育生物学领域具有重要地位。该研究团队发现拟南芥叶片的DNA甲基化衰老模式与人类和其他哺乳动物高度相似：CG甲基化水平在转座子（transposable elements）区域随时间呈线性下降（图1）。结合大量已发表的DNA甲基化测序数据，团队利用Elastic Net机器学习算法构建了能够精准预测植物叶片生物年龄的表观遗传时钟模型。研究团队通过对具有不同衰老特征的拟南芥叶片（包括长/短日照条件下的植株、衰老相关突变体及不同生态型材料）的验证，证实了该模型的高精度与广泛适用性。

不同于动物在胚胎阶段即完成器官形成、成体后器官数量相对固定的特征，植物依靠分生组织（meristem cells）的持续活性，在其整个生命周期中能够不断产生新的器官，如叶片、根系和花序等。研究团队通过对拟南芥在不同发育时期形成的叶片分析发现，新生叶片保持较高水平的DNA甲基化，表明其具有更“年轻”的表观年龄。研究团队进一步分析了不同发育阶段顶端分生组织（shoot apical meristem）的DNA甲基化水平，发现分生组织细胞在整个发育过程中维持较高的DNA甲基化水平（图1），表明其在表观层面保持“年轻”，验证了分生组织细胞“功能性不衰老”的特性。

研究团队发现DREAM复合体（dimerization partner, RB-like, E2F and multi-vulva class B）亚基TCX5和TCX6的纯合双突变体（tcx5/6）叶片全基因组在整个生命周期中保持极高的DNA甲基化水平，表明这些叶片几乎不经历DNA甲基化衰老进程。然而，tcx5/6叶片的衰老速度与野生型却很相近，这提示表观遗传信息的丢失更可能是衰老的结果而非驱动因素。结合之前研究对TCX5/6转录因子靶标的鉴定，团队提出TCX5/6通过调控维持CG甲基化的关键基因（如MET1、DDM1和VIM1等）的表达，从而影响DNA甲基化衰老模式的分子机制（图1）。由于动物系统在衰老机制研究上存在诸多局限，而DREAM复合体在动植物中高度保守，植物TCX5/6调控DNA甲基化衰老的分子机制，可能为理解生物衰老的普适规律提供新视角。

图1. 植物器官衰老的表观遗传基础

加州大学伯克利戴大伟博士为论文的第一作者，Ben Williams教授为通讯作者。该研究得到了美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）的项目资助。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu2392