Science：揭示绒毡层siRNA让生殖系DNA甲基化机制

2021年7月9日讯/生物谷BIOON/---染色质的表观遗传修饰，如DNA胞嘧啶的甲基化，在植物和动物中实现调节信息跨代传播。表观遗传标记是通过生殖系遗传的，生殖系可以经历影响生殖系功能的表观遗传重编程。哺乳动物生殖系会经历全基因组的去甲基化和重甲基化，从而重置表观遗传标记并恢复细胞的多能性。开花植物的生殖系分化晚于哺乳动物的生殖系，并经历了独特的DNA甲基化重编程。在植物生殖细胞中已经观察到全局甲基化水平的变化，以及调节生殖系基因表达的局部从头甲基化（de novo methylation）。然而，这种重编程的机制仍然不清楚，这限制了对植物组织特异性的跨代表观遗传的理解。

拟南芥雄性生殖系中的基因从头甲基化是由小RNA引导的DNA甲基化途径（RdDM）催化的。RdDM使用从源基因座（通常是转座子）转录的长24个核苷酸（nt）的小干扰RNA（siRNA）来引导甲基转移酶对同源区域进行甲基化。RdDM在细胞中无处不在，通常对转座子进行甲基化。在一项新的研究中，来自英国约翰内斯中心的研究人员研究了RdDM如何靶向生殖系中的基因，这种重编程如何局限于生殖系，以及如何选择数百个靶基因。相关研究结果发表在2021年7月2日的Science期刊上，论文标题为“Nurse cell-–derived small RNAs define paternal epigenetic inheritance in Arabidopsis”。

这些作者发现，在拟南芥中，数百个基因的生殖系特异性甲基化是由具有不完全序列同源性的高甲基化转座子转录的24nt siRNA建立的。利用CRISPR剔除siRNA源转座子会破坏雄性减数分裂细胞（meiocyte）中相应基因的DNA甲基化，这表明这些siRNA能够通过错配反式靶向甲基化。此外，他们发现减数分裂细胞在24-ntsiRNA生物发生过程中是静止的，基因靶向性的siRNA在绒毡层滋养细胞（tapetal nurse cell）中产生并被输送到减数分裂细胞中。绒毡层细胞的siRNA谱与减数分裂细胞的siRNA谱相似，表明在减数分裂早期，大量的siRNA通过连接这些细胞的细胞质通道（称为胞间连丝）移动。尽管基因靶向性的siRNA在绒毛层中的积累水平与减数分裂细胞中的水平相当，但靶基因在绒毛层中没有甲基化，表明减数分裂细胞可以使用不完全匹配的siRNA来靶向DNA甲基化。

这些作者还发现，绒毛层中基因靶向性siRNA的生物发生是由一种假定的染色质重塑因子CLASSY3（CLSY3）驱动的。CLSY3在植物组织中不存在，但在雌性和雄性器官中富集。在雄性器官中，CLSY3在绒毛层细胞中特异表达。clsy3突变消除了雄性减数分裂细胞以及精子中基因的从头甲基化，揭示了绒毛层siRNA在驱动整个雄性生殖系甲基化重编程中的作用。这一结论在利用遗传镶嵌系统开展的实验中得到了加强，该系统将siRNA生物发生限制在绒毛层内。在这种遗传镶嵌系统中，绒毛层siRNA恢复了雄性生殖系中特异性甲基化的基因和所有组织中由RdDM靶向的转座子的甲基化。这表明在从减数分裂细胞到精子中，绒毛层siRNA使得整个雄性生殖系中RNA引导的全部DNA甲基化。

绒毡层siRNA让生殖系DNA甲基化，图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abh0556。

由于绒毛层siRNA在雄性生殖系中诱导转座子的甲基化，这些作者研究了这些siRNA除了具有基因调控功能外，是否还具有沉默生殖系转座子的作用。他们发现绒毛层siRNA诱导Gypsy逆转录转座子（Gypsy retrotransposon, GP1）甲基化并阻止GP1表达，这表明绒毛层siRNA通过抑制转座子确保生殖系基因组完整性。

综上所述，这项研究揭示了绒毛层24-nt siRNA 在决定父本甲基化组方面的作用。绒毛层siRNA驱动生殖系基因的从头甲基化，并通过沉默转座子来保障基因组完整性。减数分裂细胞使用不匹配的24-nt siRNA诱导甲基化的能力使RdDM能够靶向与绒毡层中产生siRNA的转座子相似的序列。这应该有利于识别和沉默新的转座子，从而表明减数分裂是基因组监控的一个关键阶段，并允许RdDM特异性地调节生殖系基因表达。绒毛层siRNA的广泛靶向能力类似于后生动物性腺表达的piRNA（Piwi-interacting RNA，与Piwi蛋白相作用的RNA），这表明特定的小RNA途径在控制植物和动物生殖系中的转座子和基因方面存在趋同的进化。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Jincheng Long et al. Nurse cell-–derived small RNAs define paternal epigenetic inheritance in Arabidopsis. Science, 2021, doi:10.1126/science.abh0556.

Rebecca A. Mosher. Small RNAs on the move in male germ cells. Science, 2021, doi:10.1126/science.abj5020.