擬南芥5-甲基胞嘧啶（5mC）DNA糖基化酶的ROS1/DEMETER家族，是真核生物中第一個遺傳表征的DNA去甲基化酶。然而，ROS1靶基因位點的特征還沒有得到很好的理解。10月31日在《Nature Plants》發(fā)表的一項研究中，來自中科院上海植物逆境生物學(xué)中心和普渡大學(xué)的研究人員，對擬南芥Col-0和C24生態(tài)型中的ROS1靶位點進(jìn)行了表征。他們發(fā)現(xiàn)ROS1傾向于靶定轉(zhuǎn)座因子（TES）和基因間區(qū)。與大多數(shù)TEs相比，ROS1靶向TEs更接近于蛋白質(zhì)編碼基因，這表明ROS1可能阻止DNA甲基化從TEs擴(kuò)散到附近的基因。

這項研究的通訊作者是中科院上海植物逆境生物學(xué)研究中心郎曌博研究員，其2009年本科畢業(yè)于北京師范大學(xué)，2014年在美國普渡大學(xué)獲博士學(xué)位，2014年12月至2016年9月至普渡大學(xué)從事博士后研究，2016年10月至今就職于中科院上海植物逆境生物學(xué)研究中心。國際著名植物生物學(xué)家、植物抗逆分子生物學(xué)領(lǐng)軍科學(xué)家、美國科學(xué)院院士、美國普渡大學(xué)生物化學(xué)系和園藝及園林系杰出教授，首批“千人計劃”入選者，中科院上海植物逆境生物學(xué)研究中心主任朱健康也是本文共同作者之一。

在許多真核生物中存在的一種重要表觀遺傳標(biāo)記——5mC，參與了許多重要的生物過程，如基因印跡、基因表達(dá)的調(diào)節(jié)和基因組穩(wěn)定性。在植物中，DNA甲基化通常發(fā)生在三個序列中，包括CG、CHG和CHH（H表示A、C或T）。在擬南芥中，DNA甲基化是由不同的途徑建立和維持的。DNA甲基化（從頭甲基化）是由結(jié)構(gòu)域重排甲基轉(zhuǎn)移酶2（DRM2）構(gòu)建的，通過RNA指導(dǎo)的DNA甲基化（RdDM）通路——其中RNA聚合酶IV（Pol IV）依賴性24 nt小干擾RNAs（siRNAs）功能，來引導(dǎo)DRM2靶定位點。最近，有研究發(fā)現(xiàn)，24 nt siRNA 的Pol IV依賴性25–35 nt前體，能觸發(fā)不依賴24 nt siRNA的DNA甲基化。四種不同的酶可在DNA復(fù)制后維持DNA甲基化，這取決于序列背景：mCG是由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶1（MET1）維持的，mCHG是由chromomethylase3（CMT3）維持，mCHH是由CMT2和DRM2維持。

DNA甲基化水平是動態(tài)調(diào)節(jié)的。因為維持甲基化不足，DNA甲基化可能被動地失去，或可以通過DNA去甲基化酶而被積極地去除。在植物中，活性DNA去甲基化是由ROS1/Demeter蛋白質(zhì)家族發(fā)動的。在真核生物中ROS1是第一個遺傳表征的DNA去甲基化酶（在活性DNA去甲基化途徑中的第一個酶）。ROS1能去除5mC堿基，并在DNA鏈上留下一個單核苷酸缺口，通過一條堿基切除修復(fù)途徑而被非甲基化胞嘧啶填滿。一個反沉默蛋白復(fù)合物——含有甲基DNA結(jié)合蛋白7（MBD7），可增加DNA甲基化1（IDM1）、IDM2和IDM3，最近被發(fā)現(xiàn)可調(diào)控ROS1打靶，反過來，調(diào)控DNA去甲基化。

在擬南芥中，因為增加的DNA甲基化，一些TEs在 ros1突變體中的表達(dá)水平較低。由于附近TEs 的DNA甲基化，一些基因在ros1突變體中被沉默，這表明ROS1介導(dǎo)的TEs去甲基化，通過阻止附近基因被沉默，而對基因表達(dá)調(diào)控非常的重要。一個擬南芥ros1/dml2/dml3 (rdd) 三突變體的甲基化組和一個ros1單突變體已經(jīng)進(jìn)行了分析，揭示了數(shù)以千計的基因組區(qū)域容易發(fā)生ROS1介導(dǎo)的活性DNA去甲基化。然而，ROS1靶標(biāo)的特征尚不明確。

以往的研究指出了ROS1介導(dǎo)的DNA去甲基化和RdDM之間的相互作用。近年來，有研究表明，ROS1的表達(dá)受RdDM和DNA去甲基化途徑的精密調(diào)控，然而，ROS1介導(dǎo)的DNA去甲基化和RdDM之間的全基因組相互作用，還沒有得以調(diào)查。

在這項研究中，該研究小組在兩個擬南芥生態(tài)型（Col-0和C24）中產(chǎn)生和分析了ros1突變體的DNA甲基化譜，并描述了這兩個遺傳背景中的ROS1靶位點。這些分析鑒定和表征了數(shù)千個由ROS1和RdDM調(diào)節(jié)的基因位點。有趣的是，通過分析ros1/nrpd1雙突變體植株（它們在活性DNA去甲基化和RdDM是有缺陷的）的DNA甲基化譜，研究人員發(fā)現(xiàn)了數(shù)千個以前未知的RdDM靶標(biāo)。

此外，該研究發(fā)現(xiàn)，除了對抗RdDM之外，ROS1還可以在超過一千個基因位點上對抗不依賴DNA甲基化的RdDM。這些結(jié)果對于“植物中ROS1介導(dǎo)的活性DNA去甲基化的全基因組效應(yīng)，以及DNA去甲基化和甲基化之間的相互作用”，提供了重要的見解。