CDCA7的主要等位基因决定了拟南芥（Arabidopsis thaliana）中染色体组（CG）的甲基化模式

《Nature Plants》：Major alleles of CDCA7 shape CG methylation in Arabidopsis thaliana

DNA甲基化是调控基因表达和抑制转座子的重要表观遗传机制，但其调控的顺式和顺式调控因子仍不明确。本研究通过全基因组关联分析（GWAS）在拟南芥中发现CDCA7α是主要顺式调控因子，通过招募DDM1促进CG位点甲基化（mCG），维持转座子沉默和异染色质结构。进一步实验表明，CDCA7α/β冗余作用于DDM1依赖的mCG沉积，且其表达受启动子区26bp缺失影响，导致不同自然种群mCG水平差异。地理分布分析显示，CDCA7α的变异与欧洲、亚洲等地的适应性扩张相关，其甲基化调控可能通过影响种子大小等性状促进物种适应新环境。本研究揭示了CDCA7α/β-DDM1复合物在mCG维持中的关键作用，并阐明了自然种群中表观遗传变异的分子机制及进化意义。

　　DNA甲基化是一种关键的表观遗传标记，它在真核生物中影响基因表达并抑制转座子元素（TEs）的活性。在动物和植物中，已经报道了许多DNA甲基化作用的“cis”元件，尤其是在CG位点（mCG）处。然而，关于调控mCG的“trans”调节因子，特别是与适应性进化相关的作用机制，仍知之甚少。本研究通过全基因组关联分析（GWAS），发现CDCA7蛋白在自然种群的阿拉伯芥（*Arabidopsis thaliana*）中是一个重要的“trans”决定因子。CDCA7或其同源蛋白能够物理结合染色质重塑因子DECREASE IN DNA METHYLATION 1（DDM1），从而促进甲基转移酶对DNA的访问。表观基因组分析表明，尽管CDCA7蛋白控制所有DDM1依赖的表观遗传过程，但其主要功能是维持mCG。我们发现了一个26个碱基对（bp）的启动子插入（indel），它调控了CDCA7的表达，并决定了mCG水平和转座子沉默的程度。CDCA7等位基因的地理分布表明，新的等位基因多次扩展到新的生态位，这可能表明CDCA7在本地适应中发挥了一定作用。我们的发现表明CDCA7蛋白是专门的mCG调控因子，并暗示DDM1可能依赖其他伙伴来调控其他染色质特征。更广泛地说，这些结果展示了通过调控表观遗传机器的转录水平，DNA甲基化变化如何促进本地适应。

DNA甲基化是多细胞真核生物中最为普遍的DNA修饰形式之一。在发育过程中，5-甲基胞嘧啶（5mC）调控基因表达，并通过抑制转座子来维持基因组的完整性。尽管存在保守的分子通路来控制5mC在基因组中的分布，但表观基因组在个体之间仍然存在差异，这种差异可能源于遗传变异、环境影响以及随机的催化活动。在许多生物中，表观基因组的多样性有助于在细胞、个体和种群水平上产生表型变化。然而，仍有许多关键问题有待解决，例如这种表观基因组变化是如何建立的，以及它是否对自然选择中的适应性进化具有贡献。

在植物中，维持5mC的关键蛋白已经被广泛研究。CG二核苷酸（mCG）的甲基化由METHYLTRANSFERASE 1（MET1）维持，而非CG甲基化（mCH，其中H可以是A、T或C）则需要染色质甲基转移酶（CMT）CMT2和CMT3，以及RNA介导的DNA甲基化（RdDM）通路。MET1和CMT2/3依赖于染色质重塑因子DDM1，后者通过重塑核小体来促进甲基转移酶对DNA的访问。在野生植物种群中，5mC水平往往与当地气候有关。1001表观基因组项目揭示了1,107个全球样本中5mC的多样性，并且全基因组关联研究（GWAS）表明，其中一些变异确实具有遗传基础。mCH的多样性由遗传变异的“trans”调控因子控制，包括CMT2、CMT3和RNA聚合酶V的亚基NRPE1。这些调控因子影响转座子的活性，它们的等位基因分布塑造了地理梯度。关于mCG在基因体中的“trans”调控因子的研究也有所涉及，但基因体甲基化的功能仍存在争议。相比之下，mCG在转座子上的遗传基础尚不清楚，尽管它在转录沉默和基因组稳定性方面具有重要作用。

本研究通过GWAS，调查了自然种群中CDCA7蛋白对mCG在转座子上的调控作用。我们使用1001表观基因组数据集（n=774）进行分析，并聚焦于两个染色质区域，这些区域中的转座子通过不同的机制被抑制：常染色质区域由RdDM调控，而异染色质区域则由CMT2调控。我们发现，在异染色质区域中，CDCA7α和CDCA7β的变异能够显著影响mCG水平。而在常染色质区域，尽管存在一些遗传变异，但平均mCG水平并未与之相关。这些结果表明，CDCA7蛋白在维持mCG方面起着关键作用，尤其是在异染色质区域的转座子上。

CDCA7α和CDCA7β在维持mCG和异染色质特征方面具有冗余作用，它们共同作用以确保转座子的沉默。CDCA7α和CDCA7β在表达水平上具有相似的模式，但在功能上存在差异。CDCA7α的表达水平更高，这可能解释了其在调控mCG中的主导作用。此外，CDCA7α和CDCA7β在调控mCG的同时，还影响了其他表观遗传特征，如异染色质标记和转录沉默。然而，它们对非CG甲基化（mCHG和mCHH）的影响较弱，这可能表明它们在不同甲基化上下文中的作用存在差异。

CDCA7α和CDCA7β能够通过与DDM1的相互作用来促进mCG的维持。这种相互作用可能涉及CDCA7α/β与DDM1的H2A.W结合区域的直接联系。通过结合DDM1，CDCA7蛋白能够促进甲基转移酶对DNA的访问，从而维持mCG。这种机制可能在异染色质区域和基因体中尤为重要，因为这些区域的甲基化水平对基因组的稳定性具有决定性影响。此外，CDCA7α和CDCA7β的缺失会导致mCG水平的显著下降，这表明它们在调控mCG方面具有不可或缺的作用。

在自然种群中，CDCA7α的表达水平存在显著的遗传变异，这种变异可能影响mCG的水平和转座子的沉默。我们发现，CDCA7α的启动子区域存在一个26-bp的插入，这种插入能够调控其表达水平，并进一步影响mCG的全局变化。这种启动子变异在不同地理区域中具有不同的分布模式，可能反映了其在适应性进化中的作用。例如，CDCA7α的某些等位基因在北欧、伊比利亚半岛和东亚的某些地区更为常见，这可能与这些地区的环境适应性有关。

CDCA7α和CDCA7β的遗传多样性不仅影响了mCG水平，还可能对其他表观遗传特征产生影响。例如，它们可能通过调控异染色质标记和基因表达来影响植物的适应性。CDCA7α和CDCA7β的冗余作用表明，它们可能共同维持基因组的稳定性，并确保转座子的沉默。此外，CDCA7α的某些变异可能影响了其与DDM1的相互作用，从而改变其在表观遗传调控中的功能。

CDCA7α的启动子变异不仅影响其表达水平，还可能通过调控转录本的使用来影响mCG水平。我们发现，CDCA7α的某些等位基因能够显著提高其表达水平，并进一步影响mCG的全局变化。此外，CDCA7α的不同转录本可能具有不同的功能，例如某些转录本可能在调控mCG方面起主导作用，而另一些则可能在调控其他表观遗传特征方面起作用。这种转录本的多样性可能反映了CDCA7α在不同环境下的适应性策略。

在进化过程中，CDCA7α的某些等位基因可能通过调控mCG水平而被选择。例如，CDCA7α-ref等位基因在欧洲地区较为常见，而CDCA7α-alt等位基因则在北欧和东亚的某些地区更为常见。这些等位基因的地理分布可能反映了它们在适应性进化中的作用。此外，CDCA7α的某些等位基因可能通过调控基因表达和表观遗传变化来影响植物的适应性。例如，CDCA7α的某些变异可能影响了种子大小和开花时间等关键的适应性性状，从而在自然选择中被保留。

CDCA7α和CDCA7β的冗余作用表明，它们在维持mCG和转座子沉默方面具有重要的协同效应。然而，它们的表达水平和功能可能存在差异。例如，CDCA7α的表达水平较高，这可能解释了其在调控mCG中的主导作用。而CDCA7β的表达水平较低，这可能使其在某些情况下发挥次要作用。此外，CDCA7α和CDCA7β的某些变异可能影响了它们在表观遗传调控中的功能，例如某些变异可能影响了它们与DDM1的相互作用，从而改变其在基因组中的作用。

在进化过程中，CDCA7α的某些等位基因可能通过调控mCG水平而被选择。例如，CDCA7α-alt等位基因在伊比利亚半岛的高山地区更为常见，这可能与该地区的气候条件有关。这些等位基因的地理分布可能反映了它们在适应性进化中的作用。此外，CDCA7α的某些等位基因可能通过调控基因表达和表观遗传变化来影响植物的适应性。例如，CDCA7α的某些变异可能影响了种子大小和开花时间等关键的适应性性状，从而在自然选择中被保留。

综上所述，CDCA7α和CDCA7β在维持mCG和异染色质特征方面具有冗余作用，它们共同调控转座子的沉默。CDCA7α和CDCA7β可能通过与DDM1的相互作用来影响mCG水平，而CDCA7α的表达水平可能决定了其在表观遗传调控中的作用。此外，CDCA7α的启动子变异可能通过调控其表达水平和转录本的使用来影响mCG水平，从而在适应性进化中发挥重要作用。这些发现不仅揭示了CDCA7蛋白在表观遗传调控中的关键作用，还展示了表观遗传变化如何通过遗传变异影响植物的适应性。