DNA糖苷酶ROS1防止拟南芥胚乳中父本基因组高甲基化

　　本研究聚焦植物胚乳DNA甲基化不对称现象，发现除已知的母本特异性去甲基化酶DME外，DNA糖苷酶ROS1通过防止父本基因组CG高甲基化，促进亲本基因组表观遗传对称性。研究人员通过全基因组甲基化测序和等位基因特异性分析，揭示ROS1与DME协同作用机制，为理解植物印迹基因进化提供新视角。

　　

在开花植物的种子发育过程中，胚乳作为滋养胚胎的关键组织，呈现出独特的表观遗传特征。其中最引人注目的现象是亲本基因组间的DNA甲基化不对称性——母本基因组呈现低甲基化状态，而父本基因组则保持较高甲基化水平。这种差异主要由母本特异性表达的DNA去甲基化酶DEMETER（DME）在受精前作用于中央细胞所导致，它通过去除母本基因组的甲基化标记，为后续的基因印迹现象奠定基础。然而，DME所属的5-甲基胞嘧啶DNA糖苷酶家族还有三个成员：ROS1、DML2和DML3，这些酶在胚乳甲基化调控中的作用仍不明确。

为了解决这一问题，来自怀特黑德研究所和麻省理工学院的研究团队在《Genome Biology》上发表了最新研究成果。他们通过高精度的全基因组甲基化测序技术，系统分析了ROS1在拟南芥胚乳中的功能，揭示了其在维持亲本基因组表观遗传对称性中的关键作用。

研究人员采用酶学甲基化测序（EM-seq）技术，对野生型和ros1突变体的胚乳进行全基因组甲基化分析，并通过荧光激活核分选（FANS）技术分离三倍体胚乳核。利用等位基因特异性分析方法和生物信息学工具（包括DSS差异甲基化区域识别和Bedtools基因组区域分析），他们比较了亲本基因组的甲基化模式，并整合了已有组学数据（包括sRNA测序和染色质状态数据）进行多维度验证。

研究首先通过全基因组甲基化分析发现，ROS1缺失导致胚乳中特定基因组区域发生CG序列上下文的高甲基化。这些区域主要位于转座元件（TEs）侧翼，ROS1通过防止DNA甲基化从TEs向外"扩散"来维持甲基化边界。有趣的是，这种扩散具有方向特异性，取决于野生型中周边区域的甲基化状态。

等位基因特异性分析揭示了更为精细的调控机制：在ros1突变体中，CG高甲基化显著偏向父本基因组，而在野生型中母本和父本等位基因的甲基化水平高度相关。研究人员鉴定出一类新型区域——"ROS1父本、DME母本区域"，这些区域在野生型中双等位基因低甲基化，但在ros1突变体中父本等位基因发生特异性高甲基化。

进一步分析表明，母本等位基因的低甲基化状态部分依赖于DME活性，而父本等位基因则需要ROS1来维持低甲基化。这种协同作用机制在基因组分布和染色质特征上表现出明显差异：DME目标区域主要富集在着丝粒周边异染色质区，而ROS1目标区域则更多位于富含H3K27me3标记的常染色质区。

通过杂交实验和遗传分析，研究人员发现父本等位基因的高甲基化表型主要通过雄性生殖系遗传，表明ROS1主要在受精前发挥作用。虽然母本来源的野生型ROS1等位基因能够部分挽救父本基因组的甲基化状态，但效果有限，进一步证实了ROS1的父本特异性功能。

这项研究揭示了DNA去甲基化酶ROS1在拟南芥胚乳中的新功能——防止父本基因组特异性高甲基化，与DME协同促进亲本基因组的表观遗传对称性。研究发现不仅拓展了我们对植物DNA去甲基化机制的理解，还为印迹基因的进化提供了新见解：ROS1和DME的共同作用可能防止亲本特异性甲基化模式的形成，而该机制的破坏可能导致新印迹位点的产生。

从更广泛的视角来看，这项研究强调了亲本特异性表观遗传调控的复杂性，展示了不同DNA去甲基化酶在生殖过程中的分工与协作。这些发现对理解植物杂交育种中的表观遗传现象和种子发育异常具有重要启示，也为研究其他生物系统中的亲本效应提供了参考框架。