综述：DNA甲基化动态：模式、调控与功能

本综述系统探讨了植物DNA甲基化的动态模式、多层次调控机制及其生物学功能。文章重点阐述了CG、CHG和CHH（H = A, T, C）三种序列上下文中的甲基化特征，揭示了RdDM（RNA-directed DNA methylation）途径和甲基转移酶（如DRM2、MET1、CMT2/3）的核心作用。通过分析跨物种进化规律，作者强调了DNA甲基化变异在基因组稳定性、表型适应性和物种分化中的关键意义，为植物表观遗传学研究提供了重要视角。

　　

DNA甲基化动态通过植物生命周期

DNA甲基化稳态对植物生命周期中的基因调控至关重要。在生殖系发育过程中，CG甲基化水平降低和CLASSY3（CLSY3）的组织特异性表达促进了花粉和胚珠中小干扰RNA（siRNA）的产生，从而调控配子中的甲基化水平。拟南芥中DRM2在卵细胞中建立CHH甲基化，而中央细胞中DNA去甲基化酶DEMETER（DME）介导广泛的DNA去甲基化。与拟南芥类似，水稻卵细胞在转座元件（TEs）上表现出丰富的CHH和CHG甲基化，而活跃的去甲基化作用重编程了基因甲基化。

有趣的是，地钱（Marchantia polymorpha）精子细胞中报道了广泛的两波甲基化重编程：第一波建立非CG甲基化，随后是精子特异性增加的基因N4-甲基胞嘧啶，这对苔类植物的育性和胚胎发育至关重要。这些发现表明不同繁殖策略存在物种特异性的甲基化模式。

在胚胎发育过程中，水稻合子表现出两个亲本等位基因之间的差异甲基化。父本等位基因经历甲基化重编程以与母本甲基化模式保持一致，确保早期胚胎中的正确基因表达。随着胚胎发育，异染色质中的全局CHH甲基化水平增加以加强TE沉默。在被子植物中，胚乳表现出亲本等位基因之间的显著甲基化变异，这构成了植物基因组印记的基础。研究表明，母本等位基因的去甲基化导致母本表达基因的表达。这种模式在玉米中也观察到。然而，父本表达基因的母本等位基因沉默更为复杂，涉及DNA甲基化和Polycomb抑制复合物2（PRC2）沉积的组蛋白H3赖氨酸27甲基化。

DNA甲基化对植物发育至关重要，其完全缺失会导致茎尖分生组织发育异常和根细胞分化不当。最近报道称，转录因子WUSCHEL（WUS）和siRNA装载蛋白ARGONAUTE 4（AGO4）之间的相互作用促进DNA甲基化，沉默WUS靶向的分生组织调节因子，从而促进茎部区分化。相反，茎尖分生组织中高浓度的超氧化物激活DNA去甲基化酶REPRESSOR OF SILENCING 1（ROS1），使ARABIDOPSIS RESPONSE REGULATOR 12（ARR12）启动子去甲基化，ARR12编码WUS的上游转录因子，导致其激活并维持茎干细胞特性。

莲座叶和茎生叶等体细胞组织表现出较低的非CG甲基化水平，DNA去甲基化酶积极地从发育基因（如FLOWERING LOCUS C（FLC））中去除甲基化，以调节营养生长向开花的转变。随着植物衰老，叶片等体细胞器官显示着丝粒周围区域CG甲基化水平下降，这归因于MET1的转录抑制。这种与衰老相关的甲基化衰减在拟南芥的自然生态型中也明显存在，支持使用DNA甲基化作为衰老的生物标志物。与一年生拟南芥不同，多年生植物经历更渐进的衰老，涉及多轮生命周期，这为研究表观遗传调控在植物衰老中的作用提供了绝佳机会。

DNA甲基化动态的调控

DNA甲基转移酶和去甲基化酶是导致植物甲基化变异的主要遗传因素。拟南芥中所有甲基转移酶的完全敲除导致DNA甲基化完全缺失，而所有四种去甲基化酶的敲除则显示基因和TE上广泛的DNA高甲基化。通过将met1与野生型植物远交创建的表观遗传重组自交系不仅显示了从突变亲本遗传的甲基化缺失模式，而且在任一亲本先前未甲基化的位点上出现了新的CG甲基化。此外，DNA去甲基化酶突变体ros1通过多代繁殖导致在不同于亲本ros1高甲基化区域的位点上跨代积累甲基化。这些研究构成了自然群体中观察到的甲基化变异的基础，这些变异源于DNA甲基化机制的突变。

此外，转录因子如TESMIN/TSO-LIKE CXC结构域包含蛋白5和6（TCX5/6），它们是调节细胞周期基因的主要转录抑制因子DREAM（DP, RB-like protein, E2F and MuvB core）复合物的亚基，通过抑制MET1和CMT3的表达来维持平衡的DNA甲基化状态并促进协调的细胞分裂。

不同植物物种中这些DNA甲基转移酶的独特存在，特别是控制非CG甲基化的染色甲基化酶，导致了它们独特的甲基化景观。最近的结构和功能分析揭示了DNA变形作为一种新机制，植物DNA甲基转移酶通过该机制识别底物以建立群体特异性DNA甲基化。DRM2的催化环插入DNA，引起底物变形，DRM2靶标识别结构域通过形状互补性适应扩大的DNA大沟。这种独特机制促进DRM2在CHH底物上的甲基化，与其哺乳动物对应物DNA METHYLTRANSFERASE 3A（DNMT3A）以序列特异性方式识别底物形成对比。与DRM2类似，CMT3在DNA结合时引起显著的DNA变形，为靶向半甲基化DNA创建疏水环境，并减轻胞嘧啶+1侧翼序列对CHG识别的限制。在高等被子植物物种中，CMT2中关键的CHG识别残基与CMT3不同，使CMT2能够在CHH背景下特异性功能。

DNA甲基化受组蛋白标记的影响，特别是通过SUVH4/5/6介导的H3K9me1/2沉积与CMT2/3的非CG甲基化之间的相互作用形成的自我强化循环。最近发现，与H3K9me2相邻的组蛋白H3赖氨酸18乙酰化（H3K18ac）通过阻止CMT3的激活来影响CHG甲基化。此外，CG和非CG甲基化之间的相互作用影响甲基化模式，从失去异染色质非CG甲基化的亲本遗传的残留CG甲基化有助于F1后代中CHG和CHH甲基化的恢复。不同植物物种的甲基化模式因其基因组含量而异，像水稻这样基因组中含有富含GC簇的植物在这些区域显示出更高的非CG甲基化。这些发现突出了表观遗传标记的复杂性，这些标记勾勒出了表观基因组景观。

此外，主要的核小体重塑因子DECREASE IN DNA METHYLATION（DDM1）在促进异染色质中的DNA甲基化方面发挥着重要作用。最近的结构研究显示了DDM1在DNA复制过程中维持异染色质身份的关键作用。DDM1首先结合组蛋白H4尾和DNA来重塑核小体，增加异染色质H2A.W包含核小体中的DNA灵活性。然后ATP水解将DDM1转变为闭合构象，使其能够滑过核小体。此外，DDM1介导H3.1沉积用于含H3.1的异染色质核小体组装，促进连接组蛋白H1和异染色质R环的去除，从而使甲基转移酶能够访问这些区域以维持DNA甲基化。此外，CLASSY重塑因子的差异表达通过产生24核苷酸siRNA导致组织特异性甲基化模式。因此，染色质环境在介导甲基化沉积以维持全基因组甲基化稳态方面起着至关重要的作用。

复制过程中DNA甲基化维持的错误可能导致自发和可遗传的甲基化变化。这些表观突变虽然自发发生，但并非随机；具有高表观突变率的基因组区域，称为“表观突变热点”，取决于该区域内的甲基化水平和其他异染色质标记。快速、自发和可遗传的CG表观突变的积累使得建立进化植物表观遗传时钟成为可能，以推断植物之间的系统发育关系，包括最近分化的物种。此外，地理起源也影响甲基化景观，导致拟南芥群体中的变异。拟南芥Col-0和Cvi-0生态型之间的比较显示，生态型特异性TE和结构变异被RdDM途径大量甲基化，表明它们在驱动自然群体甲基化变异中的作用。群体甲基化变异也在H3K9去甲基化酶基因座INCREASED BONSAI METHYLATION 1（IBM1）中观察到，其第7内含子上的甲基化对于介导其表达和平衡H3K9甲基化至关重要。

DNA甲基化动态的进化意义

基因组稳定性与进化

甲基化变异可能充当缓冲剂，以维持染色质景观稳态，从而实现适当的基因组调控。在拟南芥群体中，具有较低异染色质甲基化水平的自然生态型显示从常染色质基因体甲基化切换到异染色质TE样甲基化，导致转录沉默。此外，拟南芥突变积累系中自发表观突变的热点与保持稳态中间甲基化水平的gbM基因的染色质状态相关，突出了平衡甲基化的进化重要性。在拟南芥中，Col-0着丝粒的组装显示它们密集填充着CEN180重复序列，而相邻的着丝粒周围区域被高度甲基化以防止着丝粒减数DNA双链断裂。这种保护机制强调了甲基化在基因组稳定性中的重要性。有趣的是，最近的一种表观基因组工程方法利用DNA甲基化的保护特性来沉默靶向基因上CEN180重复的异位插入，展示了一种产生位点特异性表观等位基因的有前景的方法。

全基因组复制事件在植物进化中普遍存在，最近对裸子植物的研究发现，许多基因重复显示与差异表达相关的甲基化变异。具有CG低甲基化或CHG/CHH高甲基化的基因拷贝通常表现出降低的转录水平，表明DNA甲基化可能在基因组复制后限制基因冗余。在被子植物中，来自全基因组复制事件的基因重复也显示重复拷贝之间的CG甲基化差异，而来自单基因复制事件的重复显示非CG甲基化变异，表明DNA甲基化在基因组复制后微调基因剂量。有趣的是，CMT2从CMT3样祖先进化而来，大约在被子植物出现时，已经亚功能化与CMT3一起维持CHH甲基化，可能加强了被子植物中基因组扩展的异染色质沉默。

表型多样性与适应

在自然植物群体中，甲基化变异广泛存在，反映了遗传、随机和环境影响的累积效应。这些甲基化变化可以跨代遗传，产生表观等位基因，代表群体内基因的不同甲基化状态，并可能赋予表型多样性。最近，在甲基转移酶结构域中具有CMT2突变的三个自然生态型被鉴定出影响CHH甲基化，表明甲基化变异有助于环境适应。例如，来自青藏高原的拟南芥自然生态型Lhasa-0在CMT2甲基转移酶结构域中有一个终止增益突变，导致与Col-0相比全基因组CHH甲基化较低。这种突变使Lhasa-0表现出与cmt2突变体类似的热和UV-B耐受性，有趣的是，一部分UV诱导的CHH低甲基化发生在CMT2靶标上，强调了CMT2介导的CHH甲基化在胁迫适应和恢复力中的作用。有趣的是，对来自喜马拉雅山西部不同海拔的拟南芥生态型的DNA甲基化分析揭示了显著的甲基化变异，高海拔种群显示DNA低甲基化，这可能为应对环境挑战提供关键的适应优势。

拟南芥自然生态型也在各种非编码RNA基因组中显示 substantial 甲基化变异，通常表现出比蛋白质编码基因更低的CG甲基化和更高的非CG甲基化水平，但与TE相比所有三种背景下的总体甲基化较低。非编码区域中地理连接的甲基化变异导致表型变异，使植物能够适应环境，例如调节拟南芥群体开花的miR157a表观等位基因。最近一项关于棉花纤维性状的表观基因组全关联研究在棉花生态型中鉴定了蛋白质编码和长非编码RNA基因上的CG甲基化变异，强调了DNA甲基化变异在表型多样性中的作用。

除了自然选择，驯化也是塑造植物表观基因组的强大力量。最近一项对玉米自交系的GWAS表明，玉米CMT3直系同源物ZMET2的3'非翻译区中的单核苷酸多态性导致影响苞叶层数的甲基化变异。这些甲基化变化可能是驯化压力的产物。最近对栽培稻生态型的比较显示，acquired cold tolerance 1（ACT1）启动子上的DNA低甲基化获得耐寒性，有助于水稻向北范围扩张。这一发现强调了表观遗传机制在适应中的作用，展示了环境因素如何通过可遗传的表观遗传修饰驱动进化变化。类似地，比较野生和栽培稻的研究表明，驯化导致特定驯化基因的甲基化减少，可能改变它们的表达以有利于人类选择的性状。相反，对生菜的研究表明驯化增加了DNA甲基化水平，突显了这些甲基化变异是物种特异性的，并且通常与驯化过程中靶向的性状相关。

物种形成与分化

长期以来一直假设，5mC的自发脱氨作用导致胸腺嘧啶形成，可能导致DNA错配或单核苷酸多态性， potentially serving as a genetic diversity source for speciation。进化的缓慢步伐使得研究DNA甲基化如何影响物种形成和分化具有挑战性。然而，最近的进展正在阐明这一领域。一项对玉米自交系的研究揭示了近交衰退与增加DNA甲基化之间的惊人联系。值得注意的是，抑制这种甲基化可以逆转效应，直接将甲基化变异与群体内的遗传多样性联系起来。TE可以快速入侵并从着丝粒中移除，增加了进一步的复杂性。这些元件引入序列多样性， potentially driving speciation。此外，着丝粒中卫星AtCEN178阵列的结构多态性促进DNA甲基化和异染色质沉默，以抑制减数分裂重组期间的交叉并维持染色体稳定性。 together, these discoveries provide compelling evidence that DNA methylation variations within the centromeres significantly influence chromosome segregation and meiotic recombination. Such variations could enhance intra-species diversity and potentially drive the speciation process.