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表观遗传的调控机制
摘要:表观遗传是非DNA序列遗传信息的传递,它不涉及基因序列的改变,不符合孟德尔式的遗传方式。表观遗传学研究的是生物可遗传的染色质修饰。目前，其主要研究内容包括DNA甲基化、翻译后组蛋白修饰、组蛋白组成变化。其中DNA甲基化是一种重要的表观遗传修饰方式,是调节基因组功能的重要手段。组蛋白修饰作为表观传中重要的调控机制之一,在包括基因表达调控等多种生物学过程中起着重要作用。组蛋白甲基转移酶和组蛋白去甲基化酶共同参与形成和维持不同的组蛋白甲基化状态,继而通过多种分子参与对组蛋白甲基化修饰的识别而引起下游过程的发生。组蛋白乙酰化和去乙酰化修饰也是调控表观遗传机制之一。最近人们还发现非编码的RNA也参与了表观遗传调控。
关键词：表观遗传，DNA甲基化，组蛋白修饰，RNA调控。
一DNA甲基化调控表观遗传
经典遗传学认为，生命的遗传信息储存在DNA的碱基序列上，几乎所有的生命活动都受基因调控。但是，作为开放的复杂系统，生命活动从来就不是由一种因素就能完全决定的。随着科学的发展，人们发现一些DNA或染色体水平的修饰也会造成基因表达模式的改变。这种通过有丝分裂或减数分裂来传递非DNA序列遗传信息的现象称为表观遗传（epigenetic
inheritance）。由于它不涉及基因序列的改变，不符合孟德尔式的遗传方式，因此它是一种全新的遗传机制。表观遗传修饰有许多，其中DNA甲基化是基因组DNA的一种最重要的表观遗传修饰方式，是调节基因组功能的重要手段。在植物中，DNA甲基化参与细胞的许多生物学过程，在植物生长发育及进化过程中起着重要的调节作用。
1植物DNA胞嘧啶甲基转移酶
植物DNA的甲基化是在DNA甲基转移酶（DNAMethyltransferase,DMT）的作用下，将S-腺苷甲硫氨酸上的甲基基团转移到DNA分子的胞嘧啶碱基上。在植物细胞中广泛存在的有三类结构和功能上不同的胞嘧啶甲基转移酶[1,2]。第一类是MET1甲基转移酶家族，它在甲基化酶中处于统治地位。第一个编码植物DNA甲基转移酶的基因是由Finnegan等人[1]从一个转基因的拟南芥品系中分离出来的，即MET1甲基转移酶。MET1编码的蛋白在结构上类似于哺乳动物的甲基化酶DnmtⅠ，二者在结构域上有50%的同源性。MET1的主要功能是在重复和单拷贝的DNA序列中维持甲基化，同样对许多形态特征、花期调控、移植变化和胚胎发育等有影响作用[1]。最近的研究表明它在从头甲基化CG岛过程中与一个发起甲基化的RNA片段有应答[3]。现已在胡箩卜、豌豆、西红柿、玉米等植物中鉴定出了MET1及
其同源物[4]。第二类是结构域重排甲基转移酶（DRM），包括DRM1、DRM2和Zmet3三个成员。它的结构与哺乳动物的Dnmt3甲基化酶类似[5]。但它的催化结构域的保守基序排列方式是与众不同的，为Ⅳ-Ⅸ-Ⅹ-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ-Ⅴ。其作用是在非对称位点从头甲基化DNA序列和维持失活转座子及转基因沉默位点的胞嘧啶甲基化修饰，并且对与外源SiRNA同源的DNA中所有的胞嘧啶进行从头甲基化[6]。第三类是染色质甲基化酶（CMT），该酶为植物所特有[7]，负责维持CpNpG（N是A，T，C或G）三核苷酸中胞嘧啶的甲基化。其结构也是与哺乳动物的DnmtⅠ相似，但是在CMT中有一个新的有色域氨基酸基元插入到了两个正则甲基转移酶基元之间。CMT同时具有一个染色体结构域和C-甲基化催化活性，对对称结构上的甲基化有特殊作用。在拟南芥中已经识别了至少3个CMT编码基因[1]，其中CMT1被认为是没有功能的。CMT与DRM一起，共同维持CpNpG和Cp-NpN（N非G）核苷酸序列中胞嘧啶的甲基化。此外，植物中还存在第四类甲基转移酶，如玉米中的DMT104和拟南芥中的DMT11，它们可能是DN-MT2家族的同系物，虽然它们在不少物种中是保守
的，但其功能目前还不清楚[8]。
2植物DNA甲基化方式及发生位置
植物DNA甲基化方式同哺乳动物一样分为两种，一种是2条链均未甲基化的DNA被甲基化，称为从头甲基化(denovomethylation)。另一种是双链DNA的其中1条链已存在甲基化，另1条未甲基化的链被甲基化，这种类型称为保留甲基化(maintenancemethylation)。高等植物中约有30%的胞嘧啶残基发生甲基化[9]，其中约有90%的甲基化位于CpG二核苷酸或CpNpG三核苷酸序列中[10]。DNA的甲基化主要发生在对称序列CG和CNG处。Oakeley等[11]发现在非对称序列的位点也时常发生C的甲基化。在烟草花粉DNA的T85基因的启动子区域发生了甲基化，但对应的叶片DNA中的同一序
列并没有甲基化。在测定的区域中，49个C碱基中有10个被高度甲基化，但只有3个甲基化的C位于对称的位点