本站訊 近日，學(xué)校海洋生物多樣性與進(jìn)化研究所高珊教授課題組在DNA N6-腺嘌呤甲基化（6mA）的遺傳機(jī)制研究領(lǐng)域取得新的研究進(jìn)展，相關(guān)論文“Semiconservative transmission of DNA N6-adenine methylation in a unicellular eukaryote”（單細(xì)胞真核生物DNA N6-腺嘌呤甲基化的半保留遺傳）發(fā)表在生化與分子生物學(xué)的國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Genome Research（《基因組研究》）。
6mA是一種廣泛存在于原核生物中的DNA修飾，近年來(lái)在真核生物中也陸續(xù)被鑒定和發(fā)現(xiàn)，并成為表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在人、小鼠、線蟲、擬南芥及單細(xì)胞的四膜蟲、衣藻和早期分化的真菌中，調(diào)控6mA的甲基化酶或去甲基化酶已被系統(tǒng)鑒定和研究[1-7]，但有關(guān)6mA在真核生物中的功能和調(diào)控機(jī)理的探索才剛剛起步。高珊教授團(tuán)隊(duì)主要以單細(xì)胞真核模式生物四膜蟲為研究材料，前期工作解析了6mA的分布模式、甲基轉(zhuǎn)移酶及其在細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育中的功能和調(diào)控通路，成果分別于2017、2019年發(fā)表在國(guó)際知名期刊Nucleic Acids Research上。然而，6mA在DNA復(fù)制時(shí)期的遺傳機(jī)制尚不可知，影響了對(duì)其調(diào)控機(jī)制和生物學(xué)意義的解讀。
為了進(jìn)一步研究真核生物6mA是否可以進(jìn)行穩(wěn)定遺傳，高珊教授團(tuán)隊(duì)與南加州大學(xué)劉一凡副教授合作，首次從單分子層面揭示了真核生物6mA的遺傳方式（半保留遺傳），并發(fā)現(xiàn)課題組之前報(bào)道的6mA甲基化酶AMT1是參與此過(guò)程的維持性甲基化酶。
該工作利用單分子實(shí)時(shí)環(huán)狀一致測(cè)序技術(shù)（SMRT CCS）（圖1A），鑒別出了基因組中不同甲基化狀態(tài)的6mA位點(diǎn)（全甲基化Full、半甲基化Hemi、未甲基化Un）（圖1B）。研究發(fā)現(xiàn)，野生型細(xì)胞中6mA主要以全甲基化狀態(tài)分布在互補(bǔ)的ApT雙核苷酸序列上（圖1B），半甲基化6mA位點(diǎn)在同步化細(xì)胞的DNA復(fù)制期（S期）明顯增多。進(jìn)一步通過(guò)BrdU對(duì)S期新合成的子鏈進(jìn)行標(biāo)記，發(fā)現(xiàn)半甲基化6mA與BrdU呈明顯的互斥性分布，表明6mA存在于復(fù)制后的親本鏈上（圖1C-D）。上述結(jié)果表明6mA以經(jīng)典的半保留方式進(jìn)行遺傳。
研究還發(fā)現(xiàn)，在6mA甲基化酶AMT1敲除株系中，全甲基化幾乎消失而半甲基化6mA的比例則大幅度升高，表明AMT1對(duì)半甲基化到全甲基化的轉(zhuǎn)變至關(guān)重要（圖1B）。體外酶活實(shí)驗(yàn)同時(shí)表明，AMT1復(fù)合物主要靶向ApT二核苷酸序列，且偏好性地將半甲基化催化為全甲基化，進(jìn)一步支持了AMT1是6mA的維持性甲基化酶（圖1E-F）。
圖1.6mA以半保留的方式進(jìn)行遺傳。 （A）SMRT-CCS測(cè)序原理示意圖。 （B）AMT1敲除后全甲基化（Full）位點(diǎn)消失。 （C）半甲基化的6mA（Hemi-6mA）位點(diǎn)與BrdU標(biāo)記的新生鏈互補(bǔ)分布，表明Hemi-6mA分布在母本鏈上。 （D）半甲基化的6mA（Hemi-6mA）位點(diǎn)與BrdU標(biāo)記的新生鏈互補(bǔ)分布代表性位點(diǎn)示意圖。 （E）AMT1傾向于將位點(diǎn)催化成全甲基化狀態(tài)。 （F）體外酶活實(shí)驗(yàn)顯示AMT1對(duì)半甲基化底物有明顯的偏好性。 （G）6mA半保留遺傳的模式圖。
這項(xiàng)研究不僅解析了依賴于AMT1的維持甲基化和獨(dú)立于AMT1的從頭甲基化過(guò)程，還揭示了一條與5-甲基胞嘧啶（5mC）在CpG二核苷酸上傳遞相似的6mA傳遞路徑。對(duì)6mA遺傳機(jī)制的解析和6mA甲基化酶在該過(guò)程中的調(diào)控機(jī)制的研究，為確認(rèn)真核生物6毫安是一種真正的表觀遺傳標(biāo)記提供了關(guān)鍵證據(jù)（圖2）。
圖2. 真核生物兩種DNA甲基化（6mA vs. 5mC）調(diào)控通路比較。
該研究由南加州大學(xué)劉一凡課題組與中國(guó)海洋大學(xué)海洋生物多樣性與進(jìn)化研究所高珊課題組共同完成。 高珊課題組博士畢業(yè)生盛亞嵐和副教授王媛媛、劉一凡課題組博士后楊文濤為該文章的共同第一作者。高珊教授和南加州大學(xué)的劉一凡副教授為文章的通訊作者。加州大學(xué)河濱分校宋吉奎教授和博士后陸久維，南加州大學(xué)竇亞麗教授、李春教授和博士后王雪晴，高珊課題組博士畢業(yè)生潘博、博士生南北、博士后劉永強(qiáng)和博士生葉飛對(duì)本文亦有重要貢獻(xiàn)。
團(tuán)隊(duì)合影（左5為高珊教授，左7為劉一凡副教授）
通訊員：張川 王媛媛
編輯：趙奚赟
責(zé)任編輯：劉蒞
