植物DNA甲基化的分子机制：建立、维持与去除的生化与结构视角

这篇综述系统阐述了植物DNA甲基化动态调控的分子机制，聚焦RdDM（RNA-directed DNA methylation）通路中Pol IV/V（RNA聚合酶IV/V）介导的24-nt siRNA（小干扰RNA）生成与lncRNA（长链非编码RNA）支架作用，揭示了MET1（甲基转移酶1）和CMT2/3（染色质甲基化酶）分别维持CG和非CG甲基化的表观遗传学（epigenetics）反馈环路，并解析了ROS1（抑制子沉默1）家族通过碱基切除修复（BER）途径实现主动去甲基化的独特机制。

　　

植物DNA甲基化的建立机制

植物通过独特的RNA导向DNA甲基化（RdDM）途径建立甲基化标记。该过程由RNA聚合酶IV（Pol IV）和Pol V协同完成：Pol IV转录生成30 nt左右的单链RNA，经RNA依赖的RNA聚合酶2（RDR2）转化为双链RNA前体，再由Dicer-like 3（DCL3）切割为24-nt siRNA。冷冻电镜（cryo-EM）结构显示，Pol IV通过回溯机制将RNA产物传递给RDR2，而DCL3通过其PAZ结构域特异性识别5′单磷酸化腺苷（5′pA）和3′单核苷酸悬垂，确保精确切割。

Pol V则通过其独特的NRPE2亚基减缓转录速率并增强回溯，在甲基化区域产生支架lncRNA。ARGONAUTE 4（AGO4）装载24-nt siRNA后，通过碱基配对结合Pol V-lncRNA，招募结构域重排甲基转移酶2（DRM2）完成CHH位点的从头甲基化。染色质重塑因子CLASSY（CLSY）和组蛋白阅读器SHH1（识别H3K9me）或ZMP（识别H3K4me0）分别引导Pol IV在异染色质和常染色质的定位，而DDR复合物（DRD1-DMS3-RDM1）和SUVH2/9（识别甲基化DNA）则调控Pol V的染色质定位。

甲基化维持的分子逻辑

CG甲基化由MET1维持，其可能类似动物DNMT1通过识别半甲基化CG模板。非CG甲基化则依赖H3K9甲基化（H3K9me）的自我强化环路：SUVH4/5/6的SRA结构域结合甲基化CHG/CHH，其SET结构域催化邻近核小体的H3K9me2沉积；而CMT3通过BAH和染色质结构域识别H3K9me2，优先甲基化连接区DNA的CWG位点。冷冻电镜显示玉米ZMET2通过桥连双核小体实现H3K9me2指导的CHG甲基化。

CHH甲基化由CMT2（针对长转座子体区）和DRM2（针对短转座子及边界）分工完成。染色质重塑因子DDM1通过ATP水解驱动核小体滑动，促进紧密异染色质中甲基化酶的可及性，同时协助组蛋白变体H2A.W和H3.1的沉积以强化沉默。

主动去甲基化的生化途径

植物通过ROS1家族糖苷酶/裂解酶实现高效去甲基化。结构研究表明，ROS1的BAH结构域与糖苷酶域协同翻转5mC，由保守赖氨酸催化β/δ消除反应，产生3′磷酸-α,β-不饱和醛（PUA）或3′磷酸。后续修复中，APE1L清除3′PUA，ZDP/APE2去除3′磷酸，未知DNA聚合酶填充未甲基化胞嘧啶，最后由DNA连接酶1（LIG1）连接缺口。XRCC1可能作为支架蛋白协调ROS1与修复因子，而内在无序区（IDR）可能通过相分离形成修复焦点以提高效率。

未解之谜与未来方向

当前研究仍存在多个关键问题：Pol IV/V的转录起始终止机制、AGO4招募DRM2的结构基础、DDM1的靶向招募原理、ROS1靶标识别特异性，以及去甲基化中DNA聚合酶的身份等。这些问题的解决将深化对植物表观遗传调控网络的理解。