DNA甲基化是調節真核生物基因表現至關重要的幾種表觀遺傳機制之一。
擬南芥。圖片來源：Carl Davies，CSIRO / CC BY 3.0。
DNA 甲基化是活細胞中的正常生物過程，其中稱為甲基的小化學基團被添加到 DNA 中。
這種活動控制哪些基因被打開和關閉，進而影響不同的特徵──包括生物體如何應對其環境。
這項工作的一部分涉及沉默或關閉在生物體基因組中移動的某些 DNA 片段。
這些所謂的跳躍基因或轉座子如果不加以控制，可能會造成損害。
整個過程由酵素調節，但哺乳動物和植物已經開發出不同的酵素來添加甲基。
「哺乳動物只有兩種主要酵素可以在一種 DNA 環境中添加甲基，但植物實際上有多種酶可以在三種 DNA 環境中添加甲基，」該研究所的研究員鍾學華教授說。聖路易華盛頓大學。
“這是我們研究的重點。問題是——為什麼植物需要額外的甲基化酶？
“某些基因或基因組合有助於某些特徵或性狀。”
“如果我們準確地找到它們的監管方式，那麼我們就能找到一種方法來創新我們的作物改良技術。”
鐘教授和她的同事們重點研究了植物中特有的兩種酵素：CMT3 和 CMT2。
這兩種酵素都負責在 DNA 中添加甲基，但 CMT3 專門研究 DNA 中稱為 CHG 序列的部分，而 CMT2 則專門研究稱為 CHH 序列的不同部分。
儘管它們的功能存在差異，但這兩種酶都是同一染色體甲基化酶 (CMT) 家族的一部分，該家族透過重複事件進化而來，為植物提供額外的遺傳訊息副本。
使用稱為研究作者調查了這些重複的酵素如何隨著時間的推移而進化出不同的功能。
他們發現，在演化時間線的某個地方，CMT2 失去了甲基化 CHG 序列的能力。這是因為它缺少一種重要的氨基酸，稱為精氨酸。
「精胺酸很特別，因為它帶有電荷，」聖路易斯華盛頓大學的研究生 Jia Gwee 說。
“在細胞中，它帶正電，因此可以與帶負電的 DNA 等形成氫鍵或其他化學相互作用。”
「然而，CMT2 具有不同的氨基酸纈氨酸。 Valine 不帶電，因此無法像 CMT3 一樣辨識 CHG 上下文。我們認為這就是造成兩種酵素之間差異的原因。
為了證實這種演化變化，研究人員利用突變將精胺酸轉回 CMT2。
正如他們所預期的，CMT2 能夠同時進行 CHG 和 CHH 甲基化。這表明 CMT2 最初是 CMT3 的複製品，CMT3 是一個備份系統，有助於減輕 DNA 變得更加複雜時的負擔。
「但它不是簡單地複製原來的功能，而是開發了一些新的東西，」鐘教授說。
這項研究還提供了有關 CMT2 獨特結構的見解。
此酵素具有長而靈活的 N 端，可控制其自身的蛋白質穩定性。
「這是植物為了基因組穩定性和對抗環境壓力而進化的方式之一，」鐘教授說。
“這一特徵可以解釋為什麼 CMT2 在全世界各種條件下生長的植物中進化。”
這結果今天出現在雜誌上科學進步。
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格威等人。2024 年。科學進步，正在出版； DOI：10.1126/sciadv.adr2222
