DNA去甲基化,基因印记和转座子沉默

概观

基因印记是依赖于他们的父母的原产地,在这两种开花植物和胎盘哺乳动物正常发育所必需的某些基因的表达。在植物中,压印大多局限于发育的种子的胚乳。在雌配子体的特定位点的DNA去甲基化是至关重要的这个表观遗传学调控的过程的控制。正因为如此,DNA去甲基化是植物发育过程中必不可少的,因为它在基因印记的调节作用。我们最近的数据,与我们的合作者一起 丹尼尔·齐尔伯曼的实验室,支持这一点,但也揭示了这一过程的更基础的功能。由DME DNA去甲基化似乎主要是调节转座子的活动,为了保护后代的基因组的完整性。其表达由TES控制的基因的单等位基因沉默,如果赋予选择优势,可能导致印迹位点的在开花植物胚乳的演变。

双受精

女性 拟南芥 配子体胚珠内形成。单倍体孢子经历3次有丝分裂,以形成一个8核,含有蛋,中央,助细胞,和反足细胞7细胞雌配子体。受精之前,由两个单倍体核融合形成在中央单元中的二倍体细胞核。胚乳从中央细胞的受精由精子细胞衍生,而由第二精细胞相邻的卵细胞的受精产生了胚胎。因此,双受精产生与三倍体胚乳和胚胎二倍体种子。

              

雌,雄配子体在拟南芥中,从 鲍尔和Fischer,2011; PDF格式;交流,反足细胞; CCN,中央细胞核; SC,助细胞; GN,生成核; VC,营养细胞。

使用屏幕来识别种子发育的调节剂,我们发现,德米特(DME)基因所需的种子发育。 DME编码大蛋白具有多个保守结构域,包括DNA糖基化酶和核定位结构域(Choi等人,2002年; PDF格式, 莫等人,2010; PDF格式)。母体DME等位基因需要种子存活力,并在50%的种子败育一个突变导致母系遗传(见下文)(Choi等人,2002年; PDF格式)。 DME是一个脱甲基酶,能够切除5-甲基胞嘧啶在体外通过碱基切除DNA修复途径(Gehring等,2006; PDF格式)。 

基因印记

基因印记是一个迷人的过程,在开花植物和胎盘哺乳动物绝对必需的正常发展。它似乎在资源配置功能,首先击球的父系,允许器官,其目的是引导营养物质开发的后代(胎盘,或胚乳种子)的发展,确保父本基因组的最大遗产。为了使妈妈对自己的基因组也最大化的传播,她必须在所有她的后代,传播这些资源,包括来自未来的生殖周期。因此母系表达印记基因限制她提供的,而父本表达的基因做相反的资源。在哺乳动物的印迹发现和冲突的理论是由下列文件descibed:Barton等人,1984年; PDF格式, 麦格拉思和solter,1984; PDF格式, Moore和黑格,1991年; PDF格式.

在植物和哺乳动物DNA甲基化(5-甲基胞嘧啶)是基因印记的关键调节剂。在拟南芥中,DNA去甲基化是压印的关键调节和DME的动作所需的许多基因的亲本特异性表达(Hsieh等人,2011; PDF格式)。一个重要的例子是调节 美狄亚,种子发育,其轨迹能自主调控的另一个关键基因。该 美狄亚(MEA)基因在希腊神话中的女神是谁杀了她的孩子(因意外或故意,这取决于你神话读)的名字命名的。在MEA蛋白是生殖梳组压制性络合物(PRC2)的基本亚单位,它的表达在胚乳印迹。 DME是在MEA基因负责胚乳母体等位基因特异性低甲基化 Gehring等,2006; PDF格式)在MEA启动子特别DME切除5-甲基胞嘧啶,激活其转录在雌配子体的中央细胞。中央细胞,MEA的结果在其自己的父源等位基因的PRC2介导的沉默母体表达,并且在胚乳附加印记基因受精后。 

在拟南芥胚乳是一个独特的组织;它不仅怀有广大印迹的成绩单,但与其他组织相比它有一个不同的DNA甲基化图谱。按照胚乳发育的种子的胚胎DNA甲基化的全基因组分析,我们发现胚乳相比胚胎时表现出的全球低甲基化。这种低甲基化是独立的DME,到目前为止,它的功能是未知(Hsieh等人,2009; PDF格式)。这些分析以后,我们研究了基因arabidosis胚乳印迹基因组范围内。之前下一代测序的到来,只有九的基因。拟南芥被称为待印刷。在我们2011年纸 PNAS, Hsieh等人, 我们发现一个额外的120个母系表达印记基因和9个父系表达印记基因。类似于哺乳动物,印迹的调控是复杂的,我们在作怪找到规范的监管机制 - 导致产妇特异性表达的母源启动子区域的DNA去甲基化;多梳基团结合靶导致父系特异表达的父系甲基介导的甲基化;还有更复杂的规则机制,尚未划定。我们发现,在待压印的基因有助于各种各样的过程,许多贡献,以表观遗传调控自己。

在雄性和雌性配子体为二甲醚的共同作用

胚乳的母体等位基因;可能反映中央细胞基因组中;和营养细胞的基因组中,进行比较的是,胚胎或精子的低甲基化。这个低甲基化依赖于DME,发生在CG,CHG和CHH DNA上下文和在短富集,在富转座子序列。 DME 也表达了对雄配子体,在营养细胞,通过仔细的实验​​来隔离精子和使用FACS营养细胞的建立,在我们的合作者的实验室 尚志田丸。在营养细胞,DME进行DNA去甲基化,以在雌配子体的一个类似的方案。由于营养细胞不遗传物质至发育中的种子贡献,DME的损耗的效果是更微妙的,表现为父本的减小的传输 DME在某些生态型,由于,至少部分地减少花粉萌发(schoft等人,2011; PDF格式)。 

DNA去甲基化的这些区域往往与差异甲基化区域控制基因印记相关联。在营养细胞和胚乳低甲基化位点的45%的重叠,高度提示在营养和中央“同伴”细胞中发生并行处理的。据认为,在伴胞TE表达产生小RNA的是加强在配子的那些相同TE序列的沉默,保护它们的基因组他们从潜在有害的换位(伊瓦拉等人,2012; PDF格式)。

CG和在花粉CHH甲基化1号染色体上的箭头指出基因座与精子减少CHH甲基化和从在营养细胞中增加的CG甲基 DME / + 花粉(伊瓦拉等人,2012)

在支持这一假说,冲着GFP的人工miRNA和在中央细胞中特异性表达,能够沉默卵细胞GFP表达。进一步,这表明沉默诱导伴胞的sRNA可能发生在转录水平,即通过RNA指导的DNA甲基化(rddm),缺乏DME中的伴侣细胞似乎在配子DME靶序列以减少rddm。 rddm赋予在由24nt siRNA的序列特异性决定的网站CHH甲基化。由DME在营养细胞去甲基化的CG网站上显示的DME突变植物细胞增多CG甲基。在DME突变精子这些相同的基因座显示优先CHH低甲基化(伊瓦拉等人,2012).

在中央单元与相关因素在蛋减少的GFP表达(通过RIE的Uzawa图像,从表达的抗GFP微小RNA 伊瓦拉等人,2012).

水稻去甲基化谱

水稻是单子叶植物,单子叶和双子叶植物150万年前的最后一个共同祖先分歧。在水稻胚乳仍然存在,不像的 一种。拟南芥,是大约一半的世界人口的主要粮食作物。水稻胚乳是低甲基化在CG,CHG和CHH序列上下文中,相比于胚胎。我们2013 PNAS论文, Rodrigues等人, (PDF格式)表明,水稻胚乳的低甲基化被限制在母源等位基因,经常与印记基因的控制区域相关联,并且趋向于在常染色质发生。一类印迹24门NT的sRNA在水稻中发现,由两个亲本染色体生成。有趣的是,从表达它们与去甲基化的母体基因组相关因素的轨迹。此斯尔纳人口在水稻胚乳跨度宽范围序列的,包括倾向于在其它组织中被代表性不足,支撑一个小RNA途径存在上调伴胞TE表达的假设TE序列;这里表示由胚乳组织的母体等位基因;为了在配子沉默TES,作为预测 拟南芥.