10月9日，國際學(xué)術(shù)期刊Science Advances在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）徐國良研究組和中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所邵振研究組的最新合作研究成果: “DNA cytosine methylation suppresses meiotic recombination at the sex-determining region”，該研究揭示了DNA甲基化在維持性別決定區(qū)穩(wěn)定性中的重要作用。
有性生殖過程中，同源重組增加了自然選擇的遺傳多樣性，同時(shí)能夠去除有害的突變。性別二態(tài)性在真核生物中廣泛存在，通常由基因組中的性別決定區(qū)（sex-determining region, SDR）予以控制。為了維持性別的保真性，SDR進(jìn)化出了廣泛的重組抑制，這種抑制在眾多物種中由不同機(jī)制調(diào)控，包括但不限于序列差異、結(jié)構(gòu)重排、組蛋白修飾等等。
萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）作為一種單倍體的單細(xì)胞真核綠藻，是研究有性生殖與減數(shù)分裂的重要模式生物。衣藻的性別由mating-type locus (mt) 決定，存在兩種交配型：plus與minus。MT是基因組中一段375 kb (mt+) 或211 kb (mt–) 的復(fù)雜序列，在兩種交配型之間重排。此前的研究表明，重排序列對(duì)該區(qū)域的重組抑制有所貢獻(xiàn)，但并不充分，同時(shí)兩者之間的因果關(guān)系也尚不明晰。
從進(jìn)化的角度來看，DNA的出現(xiàn)早于染色體，這意味著DNA修飾的出現(xiàn)可能同樣早于組蛋白修飾。DNA胞嘧啶甲基化（5mC）是真核生物中常見的表觀遺傳修飾，在多個(gè)生物學(xué)過程中發(fā)揮著重要作用。衣藻作為進(jìn)化早期兼具動(dòng)植物特性的生物，其性別決定區(qū)MT的高甲基化賦予了性別維持機(jī)制新的可能。
研究人員首先鑒定了衣藻中負(fù)責(zé)細(xì)胞核DNA甲基化的胞嘧啶甲基轉(zhuǎn)移酶，確認(rèn)DNMT1 (Cre10.g461750) 是主要的維持性甲基轉(zhuǎn)移酶，并通過實(shí)驗(yàn)室前期開發(fā)的CRISPR技術(shù)獲得了多株dnmt1突變體。通過四分體分析，研究人員發(fā)現(xiàn)在減數(shù)分裂過程中，DNMT1的完全缺失會(huì)致使子代生存率降低以及生存譜式異常，并在MT發(fā)生非正常重組從而產(chǎn)生mixed-mt的異常子代。通過對(duì)重組頻率的檢測與統(tǒng)計(jì)，研究人員發(fā)現(xiàn)相較于WT × WT對(duì)照組，dnmt1 × dnmt1組別確實(shí)在高甲基化的MT發(fā)生相當(dāng)比例的重組（對(duì)照組中頻率為0）；而在常染色體區(qū)域，兩組的重組頻率不存在差異。染色質(zhì)免疫共沉淀（ChIP-seq）結(jié)果顯示，dnmt1突變?cè)逯曛校?/span>MT區(qū)域的H3K9me1修飾顯著降低。為探究H3K9me1的降低與表型之間的關(guān)系，研究人員進(jìn)一步構(gòu)建了SET3（衣藻中產(chǎn)生H3K9me1修飾的主要甲基轉(zhuǎn)移酶）敲除藻株，發(fā)現(xiàn)該基因的突變恰好能夠模擬dnmt1突變?cè)逯曛?/span>H3K9me1的降低（總量與分布），同時(shí)并未對(duì)5mC水平造成影響。但在四分體分析檢測中，set3 × set3組別未產(chǎn)生異常表型。這表明衣藻中5mC與H3K9me1是嚴(yán)格的上下游關(guān)系，組蛋白修飾的改變只是DNA甲基化改變的結(jié)果，并非產(chǎn)生表型的原因。衣藻中的這一發(fā)現(xiàn)使得研究人員推測，真核生物自20億年前進(jìn)化至今，DNA修飾或許行使了更多的功能。研究DNA甲基化在其他物種（如哺乳動(dòng)物）中，是否對(duì)性別決定區(qū)的重組抑制有所貢獻(xiàn)，對(duì)于探索表觀遺傳修飾的進(jìn)化具有重要意義。
綜上所述，該研究發(fā)現(xiàn)了萊茵衣藻中DNA甲基化對(duì)交配型決定區(qū)重組抑制的重要功能，揭示了性別決定區(qū)維持的新機(jī)制，拓展了DNA甲基化的生物學(xué)功能。
分子細(xì)胞卓越中心徐國良研究員、營養(yǎng)與健康研究所邵振研究員與分子細(xì)胞卓越中心陳輝副研究員為該論文的共同通訊作者。分子細(xì)胞卓越中心博士研究生蓋彤、營養(yǎng)與健康研究所博士后桂秀琪、分子細(xì)胞卓越中心博士研究生徐嘉曦以及博士夏維為該論文的共同第一作者。該項(xiàng)工作得到了中國科學(xué)院、基金委、上海市科委等部門的經(jīng)費(fèi)資助，以及分子細(xì)胞卓越中心分子生物學(xué)技術(shù)平臺(tái)的大力支持。
文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr2345
DNA甲基化抑制性別決定區(qū)的減數(shù)分裂重組
