前面我們大致講述了文章 RNA interference-independent reprogramming of DNA methylation in Arabidopsis Nature Plant 發表新通路之擬南芥中不依賴 RNAi 的 DNA 甲基化重編程的途經，與此我們在其中也講述了 Nature Plant 也邀請了翟繼先老師對此文進行一個評述，由於在上一文沒有詳細的進行概述，所以還是選擇將翟繼先老師的這篇進行翻譯，以便於我們更深刻的了解這一篇構思巧妙、讓我為之 666 的文章。
連結：https://www.nature.com/articles/s41477-020-00803-y
基於染色質的不依賴於 RNA 幹擾（RNAi）機制可在上一代丟失沉默標記的異染色質區轉座因子上重建 DNA 甲基化。其中包括 CG 甲基化、H2A.W 的被替換等眾多因素影響這些甲基化重建機制的效率。
發表期刊：Nature Plant
連結: https://www.nature.com/articles/s41477-020-00803-y
第一作者：Yiming Yu（於義溟）
第一單位：南方科技大學
通訊作者： Jixian Zhai（翟繼先）
DNA 甲基化在植物中是一種廣泛純在用來抑制基因的表觀標記，可以分為 CG 序列和 non-CG 序列（其包括 CHG 和 CHH，H 表示 A、T、C）。DNA 甲基化的重頭建立已經被深入的研究；RNA 介導的 DNA 甲基化機制（RdDM）：通過 24nt sRNA 在特定的基因組區域靶向 DNA 甲基轉移酶從而進行沉默，或者通過非經典的 RdDM 途經：21-22nt sRNA 參與指導。DNA 甲基化與組蛋白甲基化緊密相連，然而不依賴於 RdDM 途經的機制，純粹基於染色質在 DNA 甲基化重頭建立中的機制仍然尚不清楚。在 Nature Plant 本期中，To 等人應用了遺傳實驗，專門研究了 RNA 幹擾 (RNAi) 缺陷的擬南芥突變背景中 DNA 甲基化重建的過程，發現轉座元件 (TE) 基因上的 non-CG 甲基化和 H3K9 甲基化都得到了有效恢復（圖一）。結果表明即使在 non-CG 和 sRNA 完全被擦除的突變體中，染色質仍能記住 TE 基因的古老沉默狀態，一旦 non-CG 甲基化機制再次發揮作用，即可恢復原狀。
圖一：在 TE 基因中不依賴於 RNAi 的DNA 甲基化重頭建立
在植物中，non-CG 甲基化在 cmt2 cmt3 雙突（cc）或者 suvh4 suvh5 suvh6 三突（sss）中丟失。在 drm2 或者 rdr1 rdr2 rdr6 三突（rdr126）背景下， cc 和 sss 在沒有 RNA 幹擾的情況下 TE 基因位點上可以恢復曾經丟失的 DNA 甲基化。
mCG：CG 位點甲基化
mNon-CG：非 CG 位點甲基化
umNon-CG：非 CG 位點未甲基化
在擬南芥中，CG 甲基化由保守的 DNA 甲基轉移酶（DNMT1）同源基因 MET1 維持；CHG 甲基化由 CMT3 和 H3K9 組蛋白轉移酶（SUVH4、SUVH5、SUVH6）共同維持。CHH 甲基化由 DMR2 通過 RNA 指導的 DNA 甲基化 RdDM 途經和主要獨立於 siRNA 的 CMT2 進行建立和維持。之前研究表明，RdDM 主要調控常染色質區的 TEs，而異染色質區的 TEs 的 DNA 甲基化不需要 sRNA。在這些異染色質 TE 上最初建立沉默的機制仍然未知。
為了解決這一問題，作者首先檢測了 CG 甲基化的恢復。在與 MET1 共同維持 CH 甲基化的 VIM1（VARIANT IN METHYLATION 1）相關基因 vim1 vim2 vim3 三突變體（vvv）中，與 met1 類似，CG 甲基化幾乎丟失。進一步將 met1 與 vvv 進行雜交，在古老的低 CG 甲基化區域重新獲得了甲基化，並且伴隨著高豐度的 24nt siRNA，表明 RdDM 途經可能參與其中。
為了研究在存在 CG 甲基化的情況下在 non-CG 環境中恢復 DNA 甲基化的方法，作者利用了各種遺傳突變體，這些突變體已嚴重丟失了異染色質 non-CG 甲基化，但保留了 CG 甲基化。在 cmt2 cmt3 雙突變體中，TE Body 上幾乎沒有 CHG 甲基化和少量 CHH 甲基化，並且在 suvh4 5 6 三突變體中 H3K9 甲基化丟失，在 TE 上大部分 CHG、CHH 也丟失。通過 cc 和 sss 雜交，作者發現在 F1 後代中除了在 cc 和 sss 突變體中 CG 甲基化和降低的區域，大部分 non-CG 甲基化能夠有效恢復。
接下來，作者通過在 cc 和 sss 突變體進一步分別引入至 RdDM 途經重頭甲基化被破壞的 dmr2 突變體和大多數 siRNA 產生被破壞的 rdr1 rdr2 rdr6（rdr126）三突體背景，檢驗是否 non-CG 甲基化的恢復依賴於 RdDM 途經。通過將 drm2 cc 與 drm2 sss 和 rdr126 cc 與 rdr126 sss 雜交，進一步證明在 F1 後代中 TE 基因（編碼區含有 TE 的區域）上 non-CG 甲基化或 H3K9 甲基化的有效重建不需要依賴 RdDM 途經。
儘管大多數 TE 基因可以有效地恢復甲基化，但是一部分 TE 基因在重新甲基化方面顯示出極低的效率。些 TE 基因在DNA 和組蛋白中具有類似基因的表觀遺傳標記，因此被稱為類似基因的TE基因（GLTs）。作者之前堅定一個發揮 H3K9me2 去甲基化功能的蛋白 IBM1（INCREASE IN BONSAI METHYLATION 1 ）。通過將 ibm1 cc 與 ibm1 sss 雜交，作者發現以前在 GLT 上較低的再甲基化效率得到了顯著改善，因此表明被 IBM1 去除的 H3K9 甲基化可以防止 GLTs 上再甲基化。除了組蛋白修飾，作者還發現組蛋白變體與其他 TE 基因相比，GLTs 也有所不同（比如：H2A.W 替換 H2A.Z）。在 GLTs 上，作者在 cc 和 sss 雜交的後代 F1 中發現 H2A.Z 的獲得和 H2A.W 的丟失，然而在其他 TE 基因上並未觀察到任何 H2A 變體的動態交換。這是我們對 IBM1 功能的理解的重大進步。在之前的研究中，ibm1 突變體中，許多被 IBM1 靶向的基因獲得 CHG 甲基化和 H3K9me 甲基化，隨後被沉默，但是 TEs 不被影響。在這裡，作者更進一步，表明 IBM1 除了靶向正常轉錄的基因外，還可以靶向 GLTs，以防止它們在 F1 後代中重新甲基化。因此，IBM1 在類似基因的區域免受 CHG 甲基化和和 H3K9me 修飾沉默發揮重要的作用。
綜上所述，作者證明了一種不依賴 RNAi 的途徑可以在 TE 基因上重新建立 non-CG 甲基化，其效率與 CG 甲基化，H3K9 甲基化和去甲基化，H2A.W 置換和局部轉錄活性有關。將來，驗證這種不依賴於 RNAi 的系統是否在植物中廣泛保存將是有趣的，特別是在相對於擬南芥，高 non-CG 甲基化的作物：水稻、玉米、小麥、大豆。長期以來，轉基因沉默一直是轉基因植物在農業上應用的主要障礙，除了基於 RNAi 的靶向外，還可能有助於解決該問題，並進一步擴展我們在表觀遺傳水平上進行分子育種的工具。
簡介（來源 https://faculty.sustech.edu.cn/zhaijx/ ）：
翟繼先 05 年本科畢業於中國科學技術大學，08 年在中科院遺傳與發育生物學研究所曹曉風院士指導下獲得遺傳學碩士，13 年在 Blake Meyers 教授指導下獲得美國德拉瓦大學博士學位（同期還完成了生物信息和統計學的兩個碩士），之後加入加州大學洛杉磯分校美國科學院院士 Steve Jacobsen 課題組從事博士後研究。自 2005 年起，翟博士一直從事植物表觀遺傳學領域的研究，已經在主流期刊上發表了 50 篇文章，包括以第一作者和通信作者在 Cell, PNAS, Genes&Development, The Plant Cell, PLoS Genetics, Plant Journal 等頂尖期刊發表高引用的工作，在表觀遺傳學和生物信息學的交叉領域做出了突出的貢獻。目前是 20 多個植物學和生物信息學領域專業期刊的審稿人，並擔任植物領域頂級雜誌 PLANT PHYSIOLOGY 的編委。
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