PNAS｜Jacobsen/Henderson團隊合作揭示植物CDCA7維持DNA甲基化的新機制

DNA甲基化（DNA methylation）是維持基因組穩(wěn)定的關鍵表觀修飾。在植物和哺乳動物中，異染色質(zhì)（heterochromatin）和著絲粒區(qū)域通常高度壓縮，富集核小體和組蛋白H1，這對DNA甲基轉(zhuǎn)移酶維持DNA甲基化構成了物理障礙。為了克服這一障礙，染色質(zhì)重塑因子（如擬南芥中的DDM1和哺乳動物中的HELLS）發(fā)揮了至關重要的作用。在哺乳動物中，HELLS依賴于輔助因子CDCA7來定位并激活其活性；CDCA7的突變會導致著絲粒區(qū)域DNA低甲基化，進而引發(fā)免疫缺陷、著絲粒不穩(wěn)定和面部異常綜合征（ICF syndrome）。然而，植物中是否存在功能保守的CDCA7同源蛋白，以及它們?nèi)绾螀f(xié)助DNA甲基化維持，此前尚不清楚。

近日，加州大學洛杉磯分校Steven E. Jacobsen團隊和劍橋大學Ian R. Henderson團隊合作在PNAS上發(fā)表了題為CDCA7 facilitates MET1-mediated CG DNA methylation maintenance in centromeric heterochromatin via linker histone H1的研究論文。該研究鑒定并解析了擬南芥中兩個CDCA7同源蛋白（CDCA7α和CDCA7β）的功能，揭示了它們通過解開組蛋白H1（linker histone H1）對染色質(zhì)的壓縮直接促進MET1活性，來維持著絲粒異染色質(zhì)區(qū)域CG甲基化的機制。

研究人員首先在擬南芥基因組中鑒定了兩個與人類CDCA7高度同源的蛋白，分別命名為CDCA7α和CDCA7β。遺傳學分析顯示，cdca7α cdca7β 雙突變體在著絲粒周圍異染色質(zhì)區(qū)域（pericentromeric regions）和著絲粒衛(wèi)星重復序列（centromeric satellite repeats, CEN178）處表現(xiàn)出顯著的CG甲基化丟失。

圖一：CDCA7α和CDCA7β維持異染色質(zhì)DNA甲基化

為了探究CDCA7維持DNA甲基化的染色質(zhì)環(huán)境依賴性，研究人員利用機器學習模型分析發(fā)現(xiàn)，富含H1、H2A.W和H3K9me2的致密異染色質(zhì)核小體區(qū)域高度依賴CDCA7蛋白來維持CG甲基化。進一步的機制研究發(fā)現(xiàn)，在 cdca7α cdca7β 背景下缺失組蛋白H1（h1.1 h1.2）可以很大程度上恢復異染色質(zhì)區(qū)域的DNA甲基化水平。這一結果表明，在野生型植物中，CDCA7的主要功能是重塑含有H1的核小體，從而幫助DNA甲基轉(zhuǎn)移酶MET1和輔助因子VIM克服H1的物理阻礙，接觸到底物DNA。

圖二：CDCA7α和CDCA7β通過克服組蛋白H1對甲基轉(zhuǎn)移酶的抑制來維持異染色質(zhì)DNA甲基化水平

有趣的是，研究還發(fā)現(xiàn)在 h1.1 h1.2 雙突變體中，著絲粒衛(wèi)星重復序列的CG甲基化水平反而顯著升高，表明H1在這些特定區(qū)域?qū)NA甲基化維持具有抑制作用。而在 h1.1 h1.2 cdca7α cdca7β 四突變體中，這種超甲基化現(xiàn)象消失，說明 CDCA7α和CDCA7β還具有不依賴于H1的第二重功能，即直接促進MET1在核小體上的活性。

綜上所述，該研究不僅在植物中證實了CDCA7作為DNA甲基化調(diào)控因子的演化保守性，還提出了CDCA7維持異染色質(zhì)DNA甲基化的精細模型：一方面通過拮抗組蛋白H1的抑制作用開放染色質(zhì)，另一方面直接協(xié)同MET1活性。這些發(fā)現(xiàn)為理解真核生物如何在致密染色質(zhì)環(huán)境中維持表觀遺傳記憶提供了新的視角，也為深入解析ICF綜合征的致病機理提供了線索。

圖三：CDCA7α和CDCA7β直接促進甲基轉(zhuǎn)移酶·MET1在著絲粒衛(wèi)星重復序列的活性

王姝婭博士（現(xiàn)哈佛大學博士后）為該論文的第一作者。Steven E. Jacobsen院士和Ian R. Henderson教授為共同通訊作者。

論文鏈接：

https://10.1073/pnas.2526408122