科學家探究植物DNA甲基化的內在機制

DNA甲基化是真核生物中，對於調控基因表現至關重要的幾種表觀遺傳機制之一。

擬南芥。圖片出處：卡爾·戴維斯，澳洲聯邦科學與工業研究組織 / 創用CC 姓名標示 3.0 授權。

DNA甲基化是活細胞中正常的生物過程，在此過程中，稱為甲基的小型化學基團會被新增到DNA上。

此活動控制哪些基因被開啟和關閉，進而影響不同的性狀，包括生物體如何對其環境做出反應。

這項工作的一部分包括使某些在生物體基因組中移動的DNA片段沉默，也就是關閉它們。

這些所謂的跳躍基因，或稱轉座子，如果不加以控制，可能會造成損害。

整個過程由酶調節，但哺乳動物和植物已經發展出不同的酶來新增甲基。

聖路易斯華盛頓大學的研究員鍾雪華教授表示：「哺乳動物只有兩種主要的酶，能在一種DNA環境中新增甲基，但植物實際上有多重酶，可在三種DNA環境中做到這一點。」

「這就是我們研究的重點。問題是，為什麼植物需要額外的甲基化酶？」

「某些基因或基因組合促成了某些特徵或性狀。」

「如果我們能精確找出它們是如何被調控的，那麼就能找到創新技術以改良作物的方法。」

鍾教授和她的同事們專注研究植物中特有的兩種酶：CMT3和CMT2。

這兩種酶都負責向DNA新增甲基，但CMT3專門作用於稱為CHG序列的DNA部分，而CMT2專門作用於稱為CHH序列的不同部分。

儘管它們功能不同，但兩種酶都屬於同一個染色質甲基轉移酶（CMT）家族，該家族是透過複製事件演化而來，為植物提供額外的遺傳資訊副本。

研究作者利用一種稱為擬南芥的常用模式植物，探究了這些複製的酶如何隨著時間演變出不同的功能。

他們發現，在進化時間軸的某個時刻，CMT2失去了對CHG序列進行甲基化的能力。這是因為它缺少一種稱為精氨酸的重要胺基酸。

聖路易斯華盛頓大學的研究生賈桂表示：「精氨酸很特別，因為它帶有電荷。」

「在細胞中，它帶正電，因此可以與帶負電的DNA等形成氫鍵或其他化學相互作用。」

「然而，CMT2有另一種胺基酸纈氨酸。纈氨酸不帶電，所以它無法像CMT3那樣識別CHG環境。我們認為這就是造成兩種酶之間差異的原因。」

為了證實這一進化變化，研究人員利用突變將精氨酸重新引入CMT2。

正如他們所預期的，CMT2能夠進行CHG和CHH甲基化。這表明CMT2最初是CMT3的複製品，是一個備份系統，在DNA變得更複雜時幫助減輕負擔。

鍾教授表示：「但它沒有隻是簡單複製原始功能，而是發展出了新的功能。」

這項研究也讓人們對CMT2的獨特結構有了新的見解。

該酶有一個長而靈活的N端，可控制其自身的蛋白質穩定性。

鍾教授稱：「這是植物為了基因組穩定性和抵抗環境壓力而進化出的方式之一。」

「這一特徵可能解釋了為何CMT2在全球各種不同條件下生長的植物中進化出來。」

研究結果今日發表於《科學進展》期刊。

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桂等人，2024年。《科學進展》，待刊；doi: 10.1126/sciadv.adr2222