責編 | 王一
DNA甲基化在調控基因表達、沉默轉座子而維持基因組穩定性方面發揮著至關重要的作用。動物基因組中的DNA甲基化主要在發生在CG位點，而在植物中，這一過程則更為複雜，不僅限於CG位點，還廣泛存在於CHG和CHH位點（H代表A、T或C）。植物的DNA甲基化由不同的酶負責：MET1負責CG，CMT3負責CHG，CMT2和DRM2負責CHH。特別值得注意的是，CMT3和CMT2是植物特有的同源DNA甲基化酶，但它們主要甲基化不同的位點，其背後的分子和進化機制一直不清楚。
2024年11月6日，美國聖路易斯華盛頓大學鍾雪花教授課題組、加州大學河濱分校宋吉奎教授課題組以及河南大學蔣建軍教授合作，在Science Advances上發表了題為Substrate specificity and protein stability drive the divergence of plant-specific DNA methyltransferases的研究論文，揭示了CMT2和CMT3產生功能分化的機制。這是該團隊繼2022年解析CMT3特異甲基化CHG的分子機制（）後的又一項重要進展。
在此前的研究中，研究人員發現玉米CMT3蛋白ZMET2的一個關鍵精氨酸殘基（R804）與甲基化位點後第2位（+2）G透過形成氫鍵，實現對CHG的特異性識別，從而維持其甲基化。在最新的研究中，他們發現CMT2中識別+2 G的關鍵精氨酸位點發生了變異，導致失去對CHG的特異性識別能力。有趣的是，CMT3幾乎存在於所有綠色植物中且功能保守；而CMT2僅存在於被子植物中，在一些基部被子植物如無油樟中，其CMT2的該位點依舊保持為精氨酸，表明CMT2是由CMT3分化而來。將擬南芥CMT2的該位點突變為精氨酸（V1200R）後，CMT2甲基化CHG的能力顯著增強，可大量甲基化CHG，抑制轉座子並改變多個基因的表達，證明CMT2中該位點的變異是導致功能分化的關鍵因素。
在苔蘚植物中，異染色質區CHH的主要由DNMT3維持，但DNMT3在被子植物中缺失。CMT2的出現彌補了這一缺失對CHH甲基化的影響，並可能具備更高效的CHH甲基化能力。
與CMT3相比，CMT2不僅改變了底物特異性，還具有更長的N末端。該長N末端可以追溯到基部被子植物無油樟，呈現無序狀態，僅含數個相對保守的基序和核定位訊號。透過蛋白含量檢測和N末端交換實驗發現，該長N末端可導致CMT2蛋白穩定性降低，特別是在高溫下引發蛋白的快速降解，意味著CMT2更容易響應環境變化。
由於CMT2長N末端的無序特性，其在物種間和物種內部均表現出較大變異。在擬南芥自然群體中，CMT2的大量自然變異集中於N末端。然而，許多品系中的變異沒有明顯影響整體DNA甲基化水平，表明CMT2的長N末端對自然變異高度容忍，可能透過重新翻譯產生功能性CMT2蛋白。為了驗證CMT2的功能，研究人員調查了更多擬南芥自然群體，發現來自西藏的擬南芥Lhasa-0（由復旦大學鍾揚教授採集）的CMT2在甲基化酶功能區發生移碼突變，導致整體CHH甲基化程度下降。
圖1. 植物CMT類DNA甲基轉移酶的作用和進化機制
綜上所述，該研究揭示了CMT2和CMT3分別維持不同DNA甲基化的機制。CMT2擁有與CMT3類似的催化機制，但由於氨基酸變異失去了對CHG的特異性。CMT2是在被子植物中由更古老的CMT3透過複製和分化而來，具有長的無序N末端，影響其蛋白定位和穩定性。這一研究為理解DNA甲基化酶的進化及其在環境響應中的角色提供了新的視角。
圖2. 植物CMT類DNA甲基轉移酶的作用和進化機制漫畫（繪圖：Jia Gwee）
河南大學蔣建軍教授和聖路易斯華盛頓大學Jia Gwee為該文共同第一作者。鍾雪花教授和宋吉奎教授為共同通訊作者。該研究受到美國NIH和河南大學資助。鍾雪花教授課題組正招收表觀遺傳學方向博士後，歡迎聯絡（https://sites.wustl.edu/zhonglab/news/）。宋吉奎教授課題組正招收結構生物學方向博士後，歡迎聯絡（[email protected]）。蔣建軍教授課題組主要研究大豆-根瘤菌共生固氮中的表觀遺傳機制，歡迎有興趣加入課題組的學生和博士後聯絡（https://www.x-mol.com/groups/jiang）。
論文連結：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr2222
