植物REM转录因子与GDE1通过招募RNA聚合酶IV转录复合体塑造DNA甲基化景观

本研究揭示了植物中REM转录因子与GDE1蛋白通过识别特定DNA序列招募RNA聚合酶IV(Pol IV)转录复合体，在雌性生殖组织中产生24-nt siRNA并指导特定基因组位点DNA甲基化的新机制。研究人员发现VDD、VAL、REM12和REM13等REM家族转录因子能识别CLSY3/4 motif 1序列，与GDE1协同引导Pol IV复合体定向转录，解决了表观遗传模式如何被遗传信息初始定位这一关键科学问题。该研究建立了序列特异性转录因子与siRNA产生及DNA甲基化空间调控的直接联系，为理解表观遗传的遗传控制提供了新视角。

　　

在植物表观遗传学领域，DNA甲基化模式的建立机制一直是未解之谜。虽然已知RNA指导的DNA甲基化(RdDM)途径通过24-nt小干扰RNA(siRNA)引导DNA甲基化，但特定基因组位点如何被初始选择进行甲基化仍不清楚。传统观点认为表观遗传模式主要由染色质特征而非DNA序列本身决定，然而近年研究发现某些位点的siRNA产生和DNA甲基化与保守DNA基序相关，暗示遗传信息可能直接参与表观调控。这一矛盾促使科学家深入探索序列特异性因子在表观遗传模式建立中的作用。

浙江大学和加州大学洛杉矶分校的研究团队在《Nature Cell Biology》发表的研究中，鉴定出四个拟南芥REM家族转录因子(VDD、VAL、REM12和REM13)和GDE1蛋白构成的分子机器，它们能识别特定DNA序列并招募Pol IV转录复合体，在雌性生殖组织中建立位点特异的DNA甲基化模式。研究发现这些转录因子通过二聚化识别含有TTTTGCTTAT重复序列的CLSY3/4 motif 1，而GDE1的RBHG结构域与转录因子二聚体形成的口袋相互作用，共同引导CLSY3/4-Pol IV复合体进行单向转录，产生24-nt siRNA并指导DNA甲基化。当GDE1缺失时，Pol IV复合体会被重新分配到由REM8识别的CLSY3/4 motif 2位点，表明不同REM转录因子通过竞争性招募机制塑造表观景观。该研究首次建立了序列特异性转录因子与siRNA产生及DNA甲基化空间调控的直接分子联系，突破了表观遗传仅由染色质特征决定的传统认知。

研究主要采用染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq)分析蛋白基因组定位、免疫沉淀-质谱(IP-MS)鉴定蛋白互作网络、小RNA测序(sRNA-seq)检测siRNA表达谱、全基因组亚硫酸盐测序(WGBS)分析DNA甲基化模式、DNA亲和纯化测序(DAP-seq)验证体外结合特性，以及AlphaFold3预测蛋白-DNA复合体结构等技术方法。研究材料主要使用拟南芥Col-0生态型及其突变体，样本包括花组织、胚珠和花药等生殖组织。

REM转录因子和GDE1共定位于RdDM位点

通过MORC7的IP-MS筛选发现未表征蛋白GDE1，ChIP-seq显示其与Pol IV、Pol V及CLSY3/4共定位。GDE1在花组织中高表达，与CLSY3/4共享结合基序CLSY3/4 motif 1，暗示其在RdDM途径中的特殊作用。

GDE1调控siRNA产生的空间分布

比较clsy3clsy4双突变体与gde1-1突变体的siRNA谱，发现57%的CLSY3/4依赖位点需要GDE1，而35%位点在gde1-1中siRNA增加。ChIP-seq证实GDE1缺失导致CLSY3/4-Pol IV从常染色质区(group 1)转移到异染色质区(group 2)，表明GDE1指导Pol IV复合体的基因组定位。

REM-GDE1复合体识别特定DNA序列

IP-MS发现GDE1与多个REM转录因子互作但不直接结合CLSY3/4-Pol IV组分。VDD、VAL和REM13等转录因子通过B3结构域二聚化识别CLSY3/4 motif 1，而GDE1的α螺旋(RBHG结构域)嵌入二聚体口袋。实验证实RBHG结构域突变(E251A/Y252A/Y255A)会破坏GDE1功能，验证了预测的相互作用界面。

定向转录机制与基序特征

CLSY3/4 motif 1需要至少两个TTTTGCTTAT重复且间隔一个核苷酸才能有效招募转录复合体。Pol IV的转录方向与基序方向无关，但受局部染色质环境影响，通常在核小体密集区单向延伸，产生不对称的siRNA分布模式。

组织特异性调控模式

在胚珠中，REM-GDE1主导siren位点的siRNA产生；而在花药中，GDE1通过不依赖REM转录因子的机制调控CLSY3/4依赖性siRNA位点，显示组织特异性调控策略的多样性。

这项研究突破了表观遗传调控的传统范式，证明CLSY蛋白家族通过两种独立机制招募Pol IV：CLSY1/2依赖组蛋白标记(H3K9me)，而CLSY3/4通过REM-GDE1识别DNA序列特征。这种双重机制为理解组织特异性表观调控提供了新框架，与哺乳动物KRAB锌指蛋白-KAP1系统具有惊人相似性，暗示不同真核生物可能采用保守策略整合遗传与表观遗传信息。研究还揭示了REM转录因子在生殖发育中的双重角色——既通过经典转录调控控制合子发育，又通过siRNA途径塑造表观景观，为作物表观育种提供了新的分子靶点。