Molecular Cell：DNA去甲基化新机制

朱健康教授Cell子刊解析DNA修饰

　　

生物通报道：来自西班牙科尔多瓦大学，普渡大学，加州大学河畔分校，华中农业大学等处的研究人员发表了题为“A DNA 3 Phosphatase Functions in Active DNA Demethylation in Arabidopsis”的文章，发现了一种DNA磷酸酶：ZDP在植物DNA去甲基化作用机制中的重要作用，这将有助于深入了解DNA去甲基化分子机制。相关成果公布在Molecular Cell杂志上。

文章的通讯作者是科尔多瓦大学Roldán-Arjona，以及加州大学朱健康教授，其中2010年当选为美国国家科学院院士的朱健康教授的成才道路颇具传奇色彩，这位新中国成立后第二位在中国内地接受大学教育的美国科学院院士不仅成功的从农村走了出来，而且还在植物逆境分子研究等领域里开辟了自己的一片天地。

DNA甲基化修饰是一种重要的表观遗传学标志，能通过DNA甲基化和去甲基化实现表观调控。这种调控方式存在于植物和动物中，虽然DNA甲基化转甲基酶机制研究的比较清楚，但是DNA去甲基化的功能和机制仍然不是很明确。

在2006年，朱健康教授研究组针对DNA去甲基化活性功能和机制关键蛋白ROS1研究证实了ROS1是一种对于拟南芥DNA去甲基化重要的5-甲基胞嘧啶DNA 糖基酶（glycosylase/lyase），他们提出在植物中，DNA去甲基化激活利用的是一种碱基切除修复途径，DNA活性去甲基化是由5-甲基胞嘧啶DNA糖基化酶的ROS1亚家族通过碱基切除修复途径所介导的。

之后这一研究组又发现一个RNA结合蛋白ROS3是拟南芥中DNA去甲基化所必须的，遗传学数据证明ROS3与ROS1处于同一遗传途径，体内与体外RNA结合实验都证明ROS3能够结合小RNA，免疫共定位研究发现ROS3与ROS1共定位于细胞核的不连续集中点。这些数据证明ROS3在防止DNA高度甲基化过程中起着重要作用并且表明ROS1的DNA去甲基化过程可能是通过结合在ROS3的小RNA引导完成的。

在这些研究的基础上，朱健康教授研究组又进行了深入研究，发现了DNA磷酸酶ZDP的重要作用——阻止3'磷酸盐的封闭，帮助之后的DNA聚合和连接，从而完成修复反应。研究人员认为ZDP和ROS1能在体外相互作用，在体内共同定位在核质上，并且zdp突变植物的提取物也证明不能完成体外的DNA去甲基化，这些突变还会引发DNA超甲基化，和一个报告基因的转录沉默。

研究人员还利用全基因组甲基化分析发现zdp突变植物中存在上百个超甲基化内源性基因位点，这些数据表明ZDP能作为ROS1激活DNA去甲基化途径的一个分支中的下游效应因子。这将有助于更深入的了解植物的去甲基化机制。

除此之外，今年年初朱健康教授还与清华大学颜宁教授和施一公教授合作报道了转录激活因子样效应蛋白（TALE）特异识别DNA的分子机理，这提供了TALE蛋白的改造基础，极大地拓宽了TALE蛋白在生物技术应用上的前景。相关成果公布在Science杂志上。

（生物通：万纹）

原文摘要：

A DNA 3 Phosphatase Functions in Active DNA Demethylation in Arabidopsis

DNA methylation is an important epigenetic mark established by the combined actions of methylation and demethylation reactions. Plants use a base excision repair pathway for active DNA demethylation. After 5-methylcytosine removal, the Arabidopsis DNA glycosylase/lyase ROS1 incises the DNA backbone and part of the product has a single-nucleotide gap flanked by 3- and 5-phosphate termini. Here we show that the DNA phosphatase ZDP removes the blocking 3 phosphate, allowing subsequent DNA polymerization and ligation steps needed to complete the repair reactions. ZDP and ROS1 interact in vitro and colocalize in vivo in nucleoplasmic foci. Extracts from zdp mutant plants are unable to complete DNA demethylation in vitro, and the mutations cause DNA hypermethylation and transcriptional silencing of a reporter gene. Genome-wide methylation analysis in zdp mutant plants identified hundreds of hypermethylated endogenous loci. Our results show that ZDP functions downstream of ROS1 in one branch of the active DNA demethylation pathway.

作者简介：

朱健康教授

1987年 毕业于中国农业大学土化系

1990年 取得加州大学河畔分校植物学硕士学位

1993年 获得普渡大学植物生理学博士学位

1993－－1996朱健康随后任教于纽约市洛克斐勒大学与阿拉巴马州奥本大学，教授植物生物学

1996年 转赴亚利桑那大学吐桑分校任教，2000年成为该校植物学系教授

现任美国加州大学河滨分校教授，整合基因研究所所长，兼任国际著名学术刊物《Plant Physiology》、《Plant Molecular Biology》副主编。

朱健康教授为植物抗逆分子生物学领域世界级领军人物之一，其及其领导的实验室在植物抗旱、耐盐与耐低温方面的研究硕果累累，在国内外享有声誉，他的实验室已在《Cell》、《Science》、《Gene&Development》、《Plant Cell》、PNAS等国际著名学术刊物发表论多篇。