植物DNA甲基化与转基因沉默

植物DNA 甲基化与转基因沉默蒋自立(贵州省遵义师范学院生物系,贵州遵义563002)摘要 D N A 甲基化是表观遗传修饰的重要形式之一,植物D N A 甲基化及其引起的转基因沉默现象的研究对植物基因工程领域的发展有着举足轻重的作用。

介绍了植物D N A 甲基化作用机理及其过程中至关重要的3种胞嘧啶甲基转移酶:M E T1甲基转移酶家族、染色质甲基化酶(C M T)和结构域重排甲基转移酶(D R M),并阐述了植物D N A 甲基化的相关机制,包括RN A 介导的D N A 甲基化(Rd MD )、组蛋白修饰与D N A 甲基化和D N A 去甲基化。

通过分析植物转基因沉默现象与D N A 甲基化的关系,提出了克服由D N A 甲基化引起的转基因沉默的相关对策。

关键词 D N A 甲基化;转基因沉默;表观遗传;基因工程中图分类号 S188 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2009)12-05386-04D NA Methylation and T ransgene Silencing in PlantsJIA NG Zi 2li (Bio lo g y D epart ment of Z u nyi N ormal Co llege,Z un yi,G uizh ou 563002)Abstract D N A m eth ylati on is one o f the mo st sig nificant epig en etic m odificatio n m od us.A nd the research o f p lan t D N A m eth ylati on and tran sgene si 2lencing has been playin g a vital role in the dev el op ment of genetic engi neeri ng tec hnol og y.The study in tro duces the mo de o f D N A m eth ylati on and the mo st im po rtant D N A meth yltransferase throu g h D N A methy lated process:ME T1,D R M,an d C M T,w hich i ndicates the p ro g ress o f research o n the mechani sms o f D N Amethylation ,such as R N A 2depen dent D N A methy latio n,histo ne meth ylatio n,and D N A dem eth ylati on.Thro ug h analyzin g the relati on ship betw een D N A m ethylati on an d trans gene silencin g,it pu ts forw ard so me relativ e strateg ies to av oid o r reduce the effect o f trans gene silencin g.Key w ords D N A methy latio n;T ransg ene silencin g;E pigenetic in heritance;G enetic en gineerin g tech nol og y作者简介 蒋自立(1966-),男,贵州遵义人,副教授,从事生物化学与分子生物学研究。

收稿日期 2009202201遗传学告诉我们,基因结构的改变会引起生物体表现型的改变,而这种改变是可以遗传的。

然而,近年来的研究表明,现代生物从祖先基因组中所获得的生长、发育和进化信息并不仅仅是基因序列。

在基因的D NA 序列不发生变化的条件下,基因表达发生的改变也是可以遗传的,导致可遗传的表现型变化。

这种表现型变化因没有直接涉及基因的序列信息,因而是/表观0的,称为表观遗传变异,又叫表观遗传修饰。

D NA 甲基化作为从细菌到人类最普遍的表观修饰方式,是表观遗传修饰的一种重要方式,对功能基因组时代的研究具有重要的意义。

甲基化修饰在基因表达、细胞分化以及系统发育中起着重要的调节作用。

如D NA 甲基化与基因的转录失活,尤其是转基因的失活、转座子的转移失活等多种后生遗传基因的失活存在密切的关系[1]。

并且,从所报道的转基因沉默例子来看,几乎所有的转基因沉默现象与转基因及其启动子的甲基化都有关。

笔者就D NA 甲基化这一表观遗传现象做简要介绍,并分析D N A 甲基化同植物转基因沉默现象之间的联系,借此探讨D N A 甲基化引起的植物转基因沉默的解决对策。

1 DNA 甲基化模式1.1 D NA 甲基化作用 D N A 甲基化修饰方式为CpG 二核苷酸胞嘧啶第5碳原子的甲基化,是通过甲基转移酶(D NA me thyltransfe rase,M tase)的催化作用,以S 腺苷甲硫氨酸(S A M )为供体,将甲基转移到DN A 分子的腺嘌呤或胞嘧啶碱基上的过程,主要形式有52甲基胞嘧啶,N62甲基腺嘌呤和72甲基鸟嘌呤。

在高等植物中,多数D NA 甲基化发生在GC 富集区和高度重复序列处。

对于重复序列,甲基化除发生在CpG 二核苷酸中的胞嘧啶第5位碳原子上,还常发生在C AG 、C TG 三核苷酸和C C G 模体中,并且常常是对称的甲基化,但也有非对称序列甲基化的报道[2]。

而非重复序列基因在这些位点常常并不发生甲基化[3]。

D NA 甲基化作为最早被发现,最普遍的表观修饰途径广泛存在于生物界。

研究发现D NA 甲基化在不同生物中发生情况各不相同,在原核生物中CC A/T TG 和C A TC 常会被甲基化;真核生物D NA 中,52甲基胞嘧啶是唯一存在的化学性修饰碱基;植物则分布于5c 2C G 23c 或5c 2C NG 23c 序列中;脊椎动物中,甲基化位点存在于5c 2C G 23c 序列处。

真核生物中,大部分GC 序列都处于甲基化状态,而位于管家基因和少量组织特异性基因的5c 端C pG 岛(C pG 成簇出现的区域)则呈非甲基状态。

其分布一般与基因的密度有很好的线形对应关系。

如,人类基因组中,大小为100~1000bp 的C pG 岛总是处于未甲基化状态,并且与56%的人类基因组编码基因相关。

植物基因组的52甲基胞嘧啶水平与基因组的重复序列水平是相关的。

如,总共只有120Mb 碱基的拟南芥,其基因组中约有6%的甲基化胞嘧啶;而具有2500M b 的玉米基因组中大约有25%的胞嘧啶被甲基化。

在同种生物中D NA 甲基化的程度也不相同。

以植物为例,植物中胞嘧啶发生甲基化的比例因植物种类而异,裸子植物比开花植物D NA 包含更少的甲基化胞嘧啶[2],高等植物D NA 的甲基化比例从4.6%~30.0%不等[4]。

在同一物种不同组织或同一类型细胞的不同发育阶段,基因组D NA 各CpG 位点甲基化状态也各不相同。

玉米中编码胚乳特异性表达的B 2z ip 的O paque 2基因,启动子序列在叶片组织中(非表达组织)D NA 高度甲基化[5]。

此外,在不同环境下以及植物特定基因及其启动子区域的甲基化分布也不同。

1.2 胞嘧啶甲基转移酶 在植物D NA 甲基化过程中,D NA 甲基转移酶起着非常重要的作用,它催化D NA 甲基化的完成。

根据甲基化作用过程,可将植物细胞中的DN A 甲基转移酶分为结构和功能不同的3类[6],即M E T1甲基转移酶家族、染色质甲基化酶和结构域重排甲基转移酶。

1.2.1 M ET1甲基转移酶家族。

该类甲基转移酶的主要功能可能是作为维持性甲基化酶,也可能在重新甲基化中起作用,现已在胡萝卜、豌豆、番茄和玉米中分离得到了M ET1及安徽农业科学,Jo u rnal of Anh ui Agri.S ci.2009,37(12):5386-5389 责任编辑 孙红忠 责任校对 况玲玲其同源物。

第一个编码植物D NA甲基转移酶的基因是由Finne gan等从一个转基因的拟南芥品系中分离出来的,即M E T1甲基转移酶[7]。

M E T1比原核细胞中的甲基转移酶大得多,在结构上类似于哺乳动物的甲基化酶Dnm t I[8],二者在甲基转移酶结构域上有50%的同源性。

它的主要功能是将酶引向细胞核,在S期将酶引向复制叉和对半甲基化模板具高度选择性[9-10]。

它在重复和单拷贝的D NA序列中维持甲基化,且对C G双核苷酸的甲基化活性比对C NG三核苷酸甲基化的活性要强。

最近研究发现,M ET1在从头甲基化C G 岛的过程中与一个发起甲基化的R NA片段有应答,从而增强了从头甲基化酶的活性[2]。

M ET1还对许多形态特征、花期调控、移植变化和胚胎发育等有影响。

1.2.2染色质甲基化酶(C M T)。

C M T是植物中特有的一种甲基化酶[11],最初是He nikof f等在搜寻包含染色质结构域的植物蛋白数据库时发现的[12],主要负责维持C pNpG(N代表A、T、C或G)三核苷酸中胞嘧啶的甲基化。

染色质结构域是指几种染色质结构调节因子具有的一种蛋白质结构域,不同的染色质结构域可以结合组蛋白、R NA和D NA。

C M T结构也与哺乳动物的Dnm t I相似,但是在C M T中有一个新的有色域氨基酸基元插入到了两个甲基转移酶基元之间。

它同时具有一个染色质结构域和C2甲基化催化活性,对对称结构上的甲基化有特殊作用。

C M T中存在此结构域表明此类酶与异染色质区域的D N A甲基化有关。

目前,在拟南芥中已经识别了至少3个C M T编码的基因,其中C M T1被认为是没有功能的[13]。

1.2.3结构域重排甲基转移酶(DR M)。

该类酶包括D R M1、DR M2和Z me t3,已在拟南芥和玉米中发现,其结构与哺乳动物的Dnm t II I甲基化酶类似[5]。

D R M的作用是在非对称位点从头甲基化D NA序列并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siR NA同源的D NA中所有的胞嘧啶进行从头甲基化[14]。

DR M与C M T共同维持Cp NpG和C pNpN(N非G)核苷酸序列中胞嘧啶的甲基化。

此外,植物中还存在其他甲基化转移酶,如玉米中发现的D M T104和拟南芥中发现的D M T11,它们可能是D NM T I I 家族的同系物。

因其在不少物种中是保守的,所以功能目前尚不清楚[15]。