王應祥課題組在組蛋白去甲基化酶調控減數分裂同源染色體聯會和重組機製研究中取得重要進展
2022年2月23日，國際學術期刊PLoS Genetics在線發表了万博体育分 王應祥研究組題為“Histone demethylase IBM1-mediated meiocyte gene expression ensures meiotic chromosome synapsis and recombination”的研究論文（https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35192603/）。該研究首次揭示了植物組蛋白去甲基化酶參與調控減數分裂聯會與重組的表觀遺傳機製。
減數分裂是真核生物有性生殖特有的一種細胞分裂方式，在該過程中DNA複製一次細胞分裂兩次，最終產生四個染色體數目減半的配子。在減數第一次分裂前期會發生同源染色體配對、聯會和重組等過程，這些重要的生物學事件能有助於遺傳多樣性的產生，提高生物適應性，因此深入挖掘並探究其機製能幫助人類進一步認識減數分裂，進而指導人類生殖健康和農作物遺傳育種等關鍵事件。減數分裂中同源染色體的聯會和重組一向是研究熱點所在，它們能否正常進行會直接影響染色體分離，進而影響後續配子的形成。迄今，分子遺傳學研究已經克隆到幾十個參與減數分裂聯會和重組的基因，近年來也發現染色體質修飾，如DNA甲基化和組蛋白修飾等參與這一環節，但是植物中有關組蛋白去甲基化酶參與聯會和重組還未有報道。
擬南芥中IBM1作為組蛋白H3K9me2的去甲基化酶，與基因區和轉座子區中CHG甲基化偶聯調控基因的表達。研究者發現在ibm1突變體中花粉育性降低，減數分裂同源染色體部分區域聯會異常，伴隨非同源染色體相互作用、重組頻率的下降和染色體碎片。進一步分析發現ibm1突變體中非同源染色體的相互作用和染色體碎片化依賴於減數分裂DSB的形成。此外，研究者發現IBM1同時影響了減數分裂中經典的I型和II型交叉的正常形成。
接著，研究者證明IBM1具有組蛋白H3K9me2去甲基化酶活性，且定位到減數分裂前期染色體上，ibm1突變體H3K9me2的信號顯著增加。由於擬南芥中SUVH4/KYP介導的H3K9me2與CMT3介導的DNA中CHG甲基化形成了調控環，為了探究IBM1的去甲基化酶活性是否與其減數分裂功能相關，研究者將ibm1與suvh4/kyp和cmt3突變體分別進行了雜交，發現ibm1 kyp和ibm1 cmt3雙突變體的育性較ibm1均有所恢複，減數分裂中染色體形態也分別類似於kyp和cmt3單突變體，說明ibm1突變體的育性和減數分裂異常依賴於H3K9me2和CHG甲基化。
為了進一步探究IBM1基因突變帶來的全基因組DNA甲基化水平的變化，甲基化測序結果表明ibm1突變體中CG和CHH甲基化水平沒有明顯差異，但是染色體臂上CHG甲基化水平存在顯著上升，這種上升主要發生在基因區，且依賴於CMT3。為了進一步對比IBM1在體細胞和減數分裂細胞中所調控基因位點的異同，通過測序比較葉片和減數分裂細胞轉錄組，發現減數分裂細胞中IBM1特異地影響一批基因的表達，包括AML家族的三個基因AML3-5。通過分析aml3 aml4 aml5三突變體表型和ibm1雜交後四突變體表型，同時發現在ibm1突變體中過表達AML基因可以部分恢複單突變體育性和減數分裂異常表型，說明AML家族可能在減數分裂中與IBM1存在於同一通路，且AML3/4/5可能是IBM1調控的主要下遊基因。
圖 IBM1是基因座位DNA CHG去甲基化所必需
綜上所述，本研究揭示了組蛋白H3K9me2去甲基化酶IBM1通過影響基因區表觀遺傳修飾，從而調控減數分裂相關重要基因表達，進而參與減數分裂的聯會和重組過程。該研究不僅拓展了IBM1的生物學功能，同時還揭示了正常的減數分裂聯會和重組需要組蛋白去甲基化。
万博英超狼队网官方网 王應祥課題組博士研究生何承鵬和陳芷鬱為文章共同第一作者，王應祥和戚繼教授為文章共同通訊作者。狗万外围充值 兼職教授、北卡羅來納大學教堂山分校Gregory Copenhaver教授和黃霽月博士後也參與了該項工作。該研究得到了國家自然科學傑出青年基金，美國國家科學基金以及狗万外围充值 遺傳工程國家重點實驗室的資助。