中科院Cell子刊：解析打破常规的表观遗传现象

　　

生物通报道  来自中科院上海生命科学院、普渡大学、中国农业大学和山东农业大学的研究人员，在拟南芥中证实有多条基因沉默信号通路参与了副突变（Paramutation）样现象。这一重要的研究发表在5月14日的《Cell Reports》杂志上。

中国科学院上海生命科学院植物逆境生物学研究中心的张蘅（Heng Zhang）博士以及郑志民（Zhimin Zheng）博士是这篇论文的共同通讯作者。

副突变是指一个等位基因可以使其同源基因的转录产生稳定可遗传的变化，即一个等位基因被另一个等位基因在转录水平上沉默且这种能力可遗传的现象。1956年Brink在研究玉米的R基因座位时第一次发现了副突变，这一表观遗传现象后被发现也存在于许多其他的多细胞生物体中。大多数情况下，孟德尔的遗传法则是得到遵守的，即基因对的独立遗传互不干扰。副突变作为一种不符合孟德尔遗传法则的遗传模式，自被提出以来科学家们就期待在分子水平上解释这一异常效应（延伸阅读：基因如何相互影响引发副突变 ）。

迄今为止发现的几乎每一个副突变离子都与DNA重复序列相关。举例来说，在玉米中booster(b1)基因座副突变受到定位在b1基因上游大约100kb的7个串联重复序列的调控。并且，这7个串联重复序列是b1基因副突变的必要及充足条件。在植物中，沉默包括转座子在内的一些重复序列对维持基因组完整性以及植物的发育至关重要。稳定的沉默通常需要移除与转录激活相关的一些表观遗传修饰如组蛋白乙酰化和H3K4me3，以及沉积一些抑制性表观遗传修饰例如H3K9me1/2。

在植物中DNA甲基化可以发生于对称序列环境（CG和CHG）及不对称序列环境（CHH）下。三种类型DNA甲基化（CG、CHG和CHH）的维持与分别和DNA复制、组蛋白修饰（H3K9me1/2）和小干扰RNA(Small interfering RNA;siRNA)相关联的一些不同过程有关。siRNA引导的DNA甲基化过程，又称作RNA介导DNA甲基化（RNA-directed DNA methylation ,RdDM)，是三种类型从头DNA甲基化的必要条件。尽管有研究发现了一些参与RdDM的组件是副突变的必要条件，当前对于副突变的分子机制仍知之甚少。

在这篇文章中研究人员报告称在拟南芥中发现了一个多拷贝pRD29A-LUC转基因，行为像一种副突变基因座。他们发现DNA糖基化酶基因ROS1突变可诱导LUC沉默状态。沉默LUC等位基因不仅在减数分裂中稳定，还可以在缺乏ros1的情况下将活化LUC等位基因转为沉默。除了RdDM，维持LUC基因沉默还需要多条信号通路的作用。

新研究不仅发现了与副突变样现象相关的一些特异的因子，还建立了一个在拟南芥中研究副突变的模型系统。

（生物通：何嫱）

作者简介：

张蘅

中科院上海植物逆境生物学研究中心研究员、博士生导师。2003年毕业于北京大学获学士学位，2009年毕业于美国普渡大学获博学位，2009-2011年在普渡大学做博士后，2012年至今在中国科学院上海生命科学院植物逆境生物学研究中心工作，为中心基因组平台负责人。研究方向：表观遗传学；组蛋白修饰与DNA甲基化之间的相互作用；DNA主动去甲计划的分子机理等。以第一作者在PNAS、Plant Physiol等国际顶尖学术期刊发表多篇SCI论文。
郑志民博士

2001年本科毕业于我校动物科技学院，后就读于中国农业大学和美国加州大学获博士学位，并于美国加州大学植物基因组整合研究中心和美国普度大学做访问学者和博士后研究工作。目前在中国科学院上海生命科学研究院任副研究员。

生物通推荐原文摘要：

Involvement of Multiple Gene-Silencing Pathways in a Paramutation-like Phenomenon in Arabidopsis

Paramutation is an epigenetic phenomenon that has been observed in a number of multicellular organisms. The epigenetically silenced state of paramutated alleles is not only meiotically stable but also “infectious” to active homologous alleles. The molecular mechanism of paramutation remains unclear, but components involved in RNA-directed DNA methylation (RdDM) are required. Here, we report a multi-copy pRD29A-LUC transgene in Arabidopsis thaliana that behaves like a paramutation locus. The silent state of LUC is induced by mutations in the DNA glycosylase gene ROS1. The silent alleles of LUC are not only meiotically stable but also able to transform active LUC alleles into silent ones, in the absence of ros1 mutations. Maintaining silencing at the LUC gene requires action of multiple pathways besides RdDM. Our study identified specific factors that are involved in the paramutation-like phenomenon and established a model system for the study of paramutation in Arabidopsis.