Cell：DDM1对组蛋白H3变体的染色质重塑可实现植物DNA甲基化的跨代表观遗传

当有机体将它们的基因传给后代时，它们传递的不仅仅是 DNA 中的代码。有些有机体还会传递化学标记来指示细胞如何使用这些代码。将这些化学标记传递给后代被称为表观遗传（epigenetic inheritance）。这在植物中尤为常见。因此，这个领域的重大发现可能会对农业、食品供应和环境产生影响。

在一项新的研究中，美国冷泉港实验室的Rob Martienssen教授和Leemor Joshua-Tor教授研究了植物如何传递使转座子保持在非活性状态的化学标记。转座子也被称为跳跃基因。当处于活性状态时，它们可以四处移动并破坏其他基因。为了抑制转座子并保护基因组，细胞会在特定的 DNA 位点上添加调控标记。这一过程被称为甲基化。相关研究结果发表在2023年9月14日的Cell期刊上，论文标题为“Chromatin remodeling of histone H3 variants by DDM1 underlies epigenetic inheritance of DNA methylation”。

Martienssen 和 Joshua-Tor 如今展示了蛋白DDM1 如何为在新 DNA 链上添加这些标记的酶让路。植物细胞需要 DDM1，因为它们的 DNA 被紧密包裹。为了保持基因组紧凑有序，细胞会将 DNA 包裹在称为组蛋白的包装蛋白的周围。Martienssen解释说，“但这阻碍了各种重要酶进入DNA。”在甲基化发生之前，“你必须移除或滑动组蛋白，使其不碍事”。

Martienssen 和冷泉港实验室前同事 Eric Richards 在 30 年前首次发现了 DDM1（Science, 1993, doi:10.1126/science.8316832）。从那时起，科学家们就了解到它能使 DNA 沿着它的包装蛋白滑动，从而暴露出需要甲基化的位点。Martienssen 将这种运动比作沿着绳子滑行的溜溜球。他解释说，组蛋白“可以在DNA上上下下地移动，一次暴露部分DNA，但绝不会脱落”。

通过遗传和生化实验，这些作者发现DDM1 能促进组蛋白H3.3 被 组蛋白H3.1 代替。在 ddm1 突变体中，DNA 甲基化因 H3.3伴侣蛋白 HIRA 的缺失而部分恢复，而 H3.1伴侣蛋白CAF-1 则变得至关重要。利用单颗粒低温电镜，他们揭示DDM1与组蛋白 H3.3 在组装成核小体所需的氨基酸残基附近结合，并且与未修饰的组蛋白H4尾巴结合。DDM1 的N末端自体抑制结构域抑制这种酶自身的活性，而它的螺旋酶结构域中的二硫键支持它的活性。在细胞周期中，DDM1 与 H3.1 和 H3.3 以及 DNA 甲基转移酶 MET1Dnmt1 共同定位，但被 H4K16 乙酰化阻断。Joshua-Tor说，“将DDM1联系在一起的一个意想不到的键竟然与多年前发现的第一个突变相对应。”

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.08.001。

这些实验还揭示了 DDM1 与某些组蛋白的亲和力如何跨代保持表观遗传控制。这些作者发现植物雄性生殖细胞的 H3.3 变体 MGH3/HTR10 可抵抗 DDM1 的重塑，并在精细胞中作为placeholder核小体进行表观遗传。Martienssen说，“它能记住组蛋白在植物发育过程中的位置，并将这种记忆保留到下一代。”

植物可能并不孤单。人类也依赖类似 DDM1 的蛋白来维持 DNA 甲基化。这一新发现可能有助于解释这些蛋白如何保持我们基因组的功能和完整性。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Seung Cho Lee et al. Chromatin remodeling of histone H3 variants by DDM1 underlies epigenetic inheritance of DNA methylation. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.08.001.

2. How plants pass down genetic memories
https://www.cshl.edu/how-plants-pass-down-genetic-memories/