DNA甲基化是调节真核生物基因表达至关重要的几种表观遗传机制之一。
拟南芥。图片来源：卡尔·戴维斯，CSIRO / CC BY 3.0。
DNA 甲基化是活细胞中的正常生物过程，其中称为甲基的小化学基团被添加到 DNA 中。
这种活动控制着哪些基因被打开和关闭，进而影响不同的特征——包括生物体如何应对其环境。
这项工作的一部分涉及沉默或关闭在生物体基因组中移动的某些 DNA 片段。
这些所谓的跳跃基因或转座子如果不加以控制，可能会造成损害。
整个过程由酶调节，但哺乳动物和植物已经开发出不同的酶来添加甲基。
“哺乳动物只有两种主要酶可以在一种 DNA 环境中添加甲基，但植物实际上有多种酶可以在三种 DNA 环境中添加甲基。”圣路易斯华盛顿大学。
“这是我们研究的重点。问题是——为什么植物需要额外的甲基化酶？”
“某些基因或基因组合有助于某些特征或性状。”
“如果我们准确地找到它们的监管方式，那么我们就能找到一种方法来创新我们的作物改良技术。”
钟教授和她的同事们重点研究了植物中特有的两种酶：CMT3 和 CMT2。
这两种酶都负责向 DNA 添加甲基，但 CMT3 专门研究 DNA 中称为 CHG 序列的部分，而 CMT2 专门研究称为 CHH 序列的不同部分。
尽管它们的功能存在差异，但这两种酶都是同一染色体甲基化酶 (CMT) 家族的一部分，该家族通过重复事件进化而来，为植物提供额外的遗传信息副本。
使用称为研究作者调查了这些重复的酶如何随着时间的推移进化出不同的功能。
他们发现，在进化时间线的某个地方，CMT2 失去了甲基化 CHG 序列的能力。这是因为它缺少一种重要的氨基酸，称为精氨酸。
“精氨酸很特别，因为它带有电荷，”圣路易斯华盛顿大学的研究生 Jia Gwee 说。
“在细胞中，它带正电，因此可以与带负电的 DNA 等形成氢键或其他化学相互作用。”
“然而，CMT2 具有不同的氨基酸缬氨酸。 Valine 不带电，因此无法像 CMT3 一样识别 CHG 上下文。我们认为这就是造成两种酶之间差异的原因。”
为了证实这种进化变化，研究人员利用突变将精氨酸转回 CMT2。
正如他们所预期的，CMT2 能够同时进行 CHG 和 CHH 甲基化。这表明 CMT2 最初是 CMT3 的复制品，CMT3 是一个备份系统，有助于减轻 DNA 变得更加复杂时的负担。
“但它不是简单地复制原来的功能，而是开发了一些新的东西，”钟教授说。
这项研究还提供了有关 CMT2 独特结构的见解。
该酶具有长而灵活的 N 末端，可控制其自身的蛋白质稳定性。
“这是植物为了基因组稳定性和对抗环境压力而进化的方式之一，”钟教授说。
“这一特征可以解释为什么 CMT2 在世界范围内各种条件下生长的植物中进化。”
这结果今天出现在杂志上科学进步。
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格威等人。2024 年。科学进步，正在出版； DOI：10.1126/sciadv.adr2222
