浙江大学等单位合作解析CG甲基化与其他表观遗传特征之间的联系

2021年5月26日，浙江大学爱丁堡大学联合学院刘琬璐研究员团队与加州大学洛杉矶分校Steven E.Jacobsen教授合作在《Nature Communications》杂志发表了题为“Ectopic targeting of CG DNA methylation in Arabidopsis with the bacterial SssI methyltransferase”的研究论文。该研究通过zinc fingers（ZF）将细菌内特有的甲基转移酶Spiroplasma sp. strain MQ1 CG methyltransferase M.SssI （SssI）靶向拟南芥FLOWERING WAGENINGEN（FWA）基因的启动子。构建了可遗传的FWA基因启动子CG甲基化拟南芥模型，同时在拟南芥的全基因组上观察到了大量广泛分布的异位CG甲基化。通过WGBS、ChIP-seq、ATAC-seq等技术手段，定位了拟南芥上差异性甲基化区域（Differentially methylated region，DMR），分析了DMR上的其他表观遗传特征，探究了CG甲基化与其他表观遗传特征的联系；同时，通过分析多代拟南芥间的DMR，研究了异位CG甲基化的遗传特性。

DNA甲基化作为一种广泛存在于生物体的表观遗传修饰，参与基因表达调控、转座子沉默、基因印记、X染色体沉默等重要生物学过程。植物DNA甲基化包括CG，CHG和CHH甲基化（H代表A、T、C），其中CG甲基化由DNA甲基化转移酶MET1（动物DNMT1同源蛋白）维持，CHG和CHH由植物特异的DNA甲基化转移酶CMT3、DRM2及CMT2维持。在基础研究和农业领域，通过zinc fingers（ZF），TAL或者CRISPR/Cas9等技术手段修改植物特定位点的DNA甲基化水平，实现对基因表达水平的调控是一种重要的研究方式；然而，通过修改植物特定位点的表观遗传信息产生的异位DNA甲基化（ectopic DNA methylation）的性质，尤其是异位DNA甲基化与其他表观遗传特征的联系和异位DNA甲基化的遗传特性目前尚不清楚。通过与其他表观遗传特性的对比，研究发现异位CG甲基化更容易发生在更不开放的染色质环境中。虽然异位CG甲基化在基因区域富集，但是异位甲基化对于这些基因的表达并没有明显的影响。还观测到存在异位CG甲基化的基因的组蛋白H2A.Z和H3K27me3修饰有明显的下调，同时，通过对4代拟南芥的CG甲基化的区域分析，发现这些异位CG甲基化区域具有明显的遗传性。这些结果阐释了植物CG甲基化与其他表观遗传特征之间的联系，对于未来表观遗传领域的研究有所帮助。