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HTH华体会Cell 植物染色质重塑因子DDM1对DNA甲基化表观遗传的作用

时间:2023-09-10 08:23:44 文章作者:admin 点击:

  HTH华体会DNA甲基化、组蛋白修饰和核小体组成是表观遗传的关键决定因素,负责异染色质形成和转座子沉默,从而帮助形成基因组稳定性。(DECREASE in DNA METHYLATION 1) 首次在拟南芥DNA甲基化缺失的遗传筛查中被发现,它编码DNA甲基化和组蛋白甲基化所需的SNF2样染色质重塑ATP酶。在E3泛素连接酶(VARIANT IN METHYLATION1) 的突变体或DNA甲基转移酶MET1的突变体中均都观察到了类似的DNA甲基化的减少。

  DDM1依赖性DNA甲基化仅限于着丝粒周围异染色质和沿染色体臂散布的转座元件。在ddm1突变体中,这些区域失去DNA甲基化和相关的组蛋白H3赖氨酸9二甲基化 (H3K9me2) 。重要的是,当DDM1恢复时,这些差异甲基化区域中有一部分重新获得DNA甲基化HTH华体会,这表明DDM1是表观遗传所必需的。因此,有研究假设DDM1重塑异染色质核小体,以促进DNA甲基转移酶接触异染色质,然而其背后机制尚不清楚HTH华体会。

  已有研究发现,拟南芥中的表观遗传标记在复制过程中重新建立,此时典型的组蛋白H3.1沉积并被异染色质中的ATXR5和ATXR6在赖氨酸27上特异性单甲基化。异染色质DNA的过度复制发生在atxr5和atxr6突变体中,并且需要FAS2 (介导H3.1沉积的组蛋白伴侣CAF-1的直系同源物) 的参与。有趣的是,异染色质DNA的过度复制也需要DDM1和MET1的参与,这表明DDM1与FAS2一样可能和H3.1沉积有关。

  研究者发现,在拟南芥ddm1突变体根尖和在met1突变体根尖中,H3.1荧光信号均发生明显减弱,即H3.1染色质被耗尽。而在拟南芥中,绝大多数H3K27me1对H3.1具有特异性。为了检查H3变体在表观遗传中的作用,研究者观察了精子细胞特异性H3.3变体MGH3/HTR10 (它取代了精子细胞中的典型H3.3) 的核组织。结果发现,在ddm1突变体和met1突变体精子细胞中,MGH3从细胞核中心到外周异染色质均发生了明显错误定位 (如图1所示) 。

  研究者观察到在ddm1突变体中的许多表型和met1突变体类似,他们通过进一步的实验发现DDM1和MET1在细胞核中紧密接近,而且在功能上相互作用并相互依赖。之前其他研究在哺乳动物细胞中发现,Dnmt1、Lsh和Uhrf1相互作用,并通过组蛋白修饰和半甲基化DNA的组合共同被募集到复制叉 (Replication fork) 。而该研究的结果支持拟南芥直系同源物MET1、DDM1和VIM1之间也有类似的相互作用,因此该研究后续主要关注DDM1。

  接下来,研究者使用ChIP-seq来研究DDM1对全基因组范围内核小体组成和修饰的影响。研究者发现DDM1主要富集在着丝粒周围区域,与H3K27me1富集区域紧密重叠,并且这片区域正是H3.3缺失的地方 (H3.3和MGH3在基因密集的染色体臂中富集) 。而且,在ddm1突变体中H3K27me1缺失 (即H3.1的缺失) ,但是H3.3和MGH3却异位沉积在着丝粒周围区域。

  其他研究表明,DDM1是核小体DNA甲基化所必需的,但不是连接区DNA (Linker DNA) 甲基化所必需的,这表明DDM1是通过重塑核小体促使DNA甲基转移酶靠近核小体的。上述实验观察到ddm1突变体中的H3.1的缺失和H3.3的增加,这表明当DDM1缺失时,H3.3可能会阻止甲基化。因此,该研究探索了组蛋白H3变体或其伴侣蛋白的缺失是否可以挽救ddm1突变体中DNA甲基化的缺失。为此,研究者构建了H3.3伴侣HIRA和ATR X的突变体,转录组蛋白伴侣HIRA是细胞间期H3.3沉积所必需的。

  通过对突变体进行全基因组亚硫酸氢盐测序,研究者发现转座元件基因座的DNA甲基化水平在ddm1突变体中降低,但在ddm1和hira双突变体中甲基化水平较高。相比之下,ddm1和atrx双突变体没有恢复DNA甲基化。该结果表明,H3.3的异位沉积是ddm1突变体中甲基化缺失的原因,而H3.1异位沉积可能是atrx突变体中甲基化缺失的原因。在这两种情况下,都会发生DNA甲基化损失——这是因为在没有染色质重塑的情况下,核小体阻碍了DNA甲基转移酶的进入。

  为了确定DDM1和核小体之间物理相互作用的分子特异性,研究者使用了单粒子冷冻电镜 (cryo-EM) 解析DDM1—核小体复合物的分子结构。结果发现,DDM1的HELICc结构域与组蛋白H3.3和H4都相互接触。DDM1与组蛋白H3.3直接接触残基T80 (如图2所示) ,而且有趣的是,该残基在精子特异性变体MGH3中被V取代,该变体与表观遗传有关,并且在ddm1突变植物花粉的异染色质中存在错误定位。

  为了进一步验证组蛋白H3变体的重塑是DDM1在表观遗传中作用的基础,研究者对循环根尖细胞进行了共聚焦显微镜和实时成像HTH华体会,以检查DDM1和组蛋白变体的定位。结果发现,当H3.1沉积由CAF-1介导时,DDM1在细胞S期与H3.1共定位于染色中心;然而,在大多数间期细胞中,DDM1与H3.3一起广泛定位于核质中。在成像实验中,DDM1在G1期被招募到染色质,一直保留到G2期,然后在有丝时解离。

  总之,该研究表明,DDM1通过在H3.1和H2A沉积的S期优先重塑异染色质核小体来促进DNA甲基化,从而使DNA甲基转移酶MET1进行甲基化。


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