生物物理所揭示DNA甲基化維持的動態過程和調控等機制

2020-12-05 中國生物技術網

2020年6月24日，《Cell Research》在線發表了中國科學院生物物理研究所朱冰實驗室的研究論文"Kinetics and mechanisms of mitotic inheritance of DNA methylation and their roles in aging-associated methylome deterioration"。該工作解析了細胞有絲分裂中DNA甲基化維持的動態過程和相關調控機制，並發現DNA甲基化維持效率在不同的特徵序列環境上有著微小的差異。因此在衰老和腫瘤發生過程中會因為細胞分裂次數的累積而導致特定區域甲基化的選擇性丟失。

DNA甲基化作為一種重要的表觀修飾，在調控基因的時空特異性表達中扮演著關鍵的角色，參與了X染色體失活、基因組印記和重複序列抑制等諸多生命過程。哺乳動物細胞的DNA甲基化主要發生在CpG二核苷酸對的C（胞嘧啶）上，並在有絲分裂過程中得以相對穩定的維持，這對細胞保持譜系特性有著重要的意義。然而，由於方法和技術的限制，DNA甲基化維持的效率、動態過程及其相關調控因素研究得並不清楚。

這項工作首先建立了研究DNA甲基化動態維持過程的新方法Hammer-seq。此方法結合了EdU（胸腺嘧啶類似物）標記新合成DNA鏈、點擊化學反應在EdU位點添加biotin標籤、Streptavidin免疫沉澱以及Hairpin亞硫酸鹽全基因組甲基化測序等技術。Hammer-seq可以測定單個DNA分子內新舊CpG的甲基化狀態，從而不僅可以測定甲基化的維持速率，還可以測定維持中可能伴隨發生的從頭甲基化事件。

研究發現，DNA甲基化可以在複製叉經過後數分鐘內迅速恢復到較高的水平，說明存在一個複製偶聯的快速維持階段；而另一方面，即使複製叉經過後數小時，甲基化維持仍然在進行，說明同時存在一個複製非偶聯的緩慢維持階段。

結合Hammer-seq和系統性地突變DNA甲基化維持可能相關的各種蛋白因子，本工作解析了調控複製偶聯和非偶聯階段甲基化維持的相關機制。其中，DNMT-PCNA以及UHRF1-LIG1的相互作用促進了複製偶聯階段甲基化的快速維持，UHRF1-H3K9me2/3的相互作用促進了複製非偶聯階段的甲基化維持速率，核小體的存在本質上則會減緩複製非偶聯階段的甲基化維持速率，而LSH相對特異地促進複製晚期區域的複製非偶聯階段的甲基化維持速率。同時，當複製偶聯階段的甲基化維持受到了破壞，甲基化可以在複製非偶聯階段得到很大程度的維持，說明複製非偶聯階段保留了很強的甲基化維持能力。另外，甲基化CpG密度高的區域，不僅具有較高的甲基化維持速率，其從頭甲基化發生頻率也較高。

衰老和腫瘤發生中均會發生大規模的甲基化丟失，但機制不明。結合分析Hammer-seq的數據，我們發現，衰老和腫瘤發生中甲基化丟失的CpG位點表現出較低的甲基化維持速率和從頭甲基化頻率。這一結果提示，甲基化維持系統內在的不完美，可能造成一些不易維持的CpG位點在不斷的有絲分裂中逐漸丟失甲基化，這或許是衰老和腫瘤中甲基化丟失的重要的機制。

本研究主要在中國科學院生物物理研究所完成，朱冰研究員為通訊作者，明軒博士和張珠強研究員為共同第一作者，朱冰實驗室的鄒卓寧、董強、賀琦翔、易暘洋和李穎峰等對本工作有重要的貢獻。中國科學院生態環境研究中心的汪海林研究員及其博士生呂聰負責了甲基化水平測定的質譜部分。本研究得到了國家自然科學基金委、科技部和中國科學院經費的資助。

圖1：檢測DNA甲基化維持水平的新方法Hammer-seq的流程圖

圖2：影響DNA甲基化維持速率的各因素的調節機制

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41422-020-0359-9

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