RNA介导的植物DNA甲基化研究进展

RNA介导的DNA甲基化作用(RNA-directed DNA Methylation,RdDM)是首次在植物中发现的基因组表观修饰现象,RdDM通过RNA-DNA序列相互作用直接导致DNA甲基化。植物中的RdDM和siRNA介导的mRNA降解现象,都是通过RNA使序列特异性基因发生沉默,它们对于植物的染色体重排、抵御病毒感染、基因表达调控和发育的许多过程起到了非常重要的作用。在植物中有很多的文献报道RdDM现象,但是对于其具体调控机理还不是很清楚。这里对RNA介导的植物DNA甲基化的基本特征进行了简要概述,主要对RdDM机理的研究进展进行了综述,其中包括RdDM过程中的DNA甲基转移酶的种类及其作用机理,DNA甲基化与染色质修饰之间的关系,以及与RdDM相关的重要蛋白质的研究等。在植物中,转录和转录后水平都可能发生RdDM,诱发基因沉默,前者常涉及靶基因启动子的甲基化,后者则牵涉到编码区的甲基化。RdDM的发生依赖于RNAi途径中相似的siRNA和酶,如DCL3、RdR2、SDE4和AGO4。植物中至少含有三类DNA甲基转移酶DRM1/2、MET1和CMT3,其作用部位是与RNA同源的DNA区域中的所有胞嘧啶,而组蛋白H3第九位赖氨酸的甲基化影响着胞嘧啶的甲基化。     

植物RNA聚合酶Ⅳ调控DNA甲基化和发育的研究进展

DNA甲基化是一类稳定可遗传的表观遗传修饰,在调控基因表达、沉默转座子和维持基因组稳定性等方面发挥重要作用。植物中,DNA从头甲基化通过RNA指导的DNA甲基化(RNA-directedDNAmethylation,RdDM)途径建立。植物特有的DNA依赖的RNA聚合酶Ⅳ(DNA-dependent RNA polymerase Ⅳ, Pol Ⅳ)是RdDM途径核心蛋白,转录产生非编码RNA,通过RdDM途径引导从头建立DNA甲基化,进而调控植物基因表达和生长发育。Pol Ⅳ行使功能受多个蛋白调控：组蛋白阅读器SHH1 (SAWADEE homeodomain homolog 1)识别H3K9甲基化引导Pol Ⅳ到基因组特定位点;染色质重塑因子CLSY (CLASSY)蛋白家族协助Pol Ⅳ识别靶位点;RNA依赖的RNA聚合酶2 (RNA-dependent RNA polymerase 2, RDR2)将Pol Ⅳ转录产生的单链RNA转换成双链RNA。本文总结了Pol Ⅳ及其调控蛋白调控植物DNA甲基化和发育的研究进展,以期为DNA甲基化研究和农作物育种提供参考。     

植物RNA沉默的分子机制研究进展

RNA沉默（RNA silencing）是真核生物中的一种抵抗外源遗传因子（病毒、转座子或转基因）及调控基凶表达的防御机制。参与植物RNA沉默的酶及蛋白质主要包括6种RNA依赖的RNA聚合酶、4种Dicer-like（DCL）核酸内切酶和10种Argonautes蛋白。植物中4条RNA沉默途径分别由微小RNA（miRNAs）和3种小干扰RNA（siRNAs）介导,包括反式作用siRNAs（ta－siRNAs）、天然反义siRNAs（natsiRNAs）和异染色质siRNAs（hc-siRNAs）。在植物RNA沉默的系统性传播中,由DCL4或DCL2将dsRNAs裁剪为次级SiRNAS,以放大RNA沉默信号和增强沉默效应。     

植物DNA甲基化及其研究策略

DNA甲基化是表观遗传学研究的热点问题之一, 植物DNA甲基化的研究对植物研究领域的发展有着举足轻重的作用。本文阐述了植物DNA甲基化的相关机制, 其中包括RdDM(RNA-dependent DNA methylation)、DNA 甲基化与组蛋白修饰 以及DNA 去甲基化等近几年研究的热点问题; 讨论了DNA甲基化在植物发育中的功能(包括基因组防御和调控基因表达)、DNA甲基化与转基因沉默的关系以及其在表观遗传学中的地位。最后就目前国内外研究植物DNA甲基化所采取的常用策略,即高效液相色谱法、亚硫酸盐测序法、甲基化敏感的限制性内切酶结合Southern杂交分析法和MSAP(methylation-sensitive amplified Polymorphism)法进行了详尽的介绍和讨论。     

植物DNA甲基化及其研究策略

DNA甲基化是表观遗传学研究的热点问题之一,植物DNA甲基化的研究对植物研究领域的发展有着举足轻重的作用。本文阐述了植物DNA甲基化的相关机制,其中包括RdDM（RNA—dependent DNA methylation）、DNA甲基化与组蛋白修饰以及DNA去甲基化等近几年研究的热点问题：讨论了DNA甲基化在植物发育中的功能（包括基因组防御和调控基因表达）、DNA甲基化与转基因沉默的关系以及其在表观遗传学中的地位。最后就目前国内外研究植物DNA甲基化所采取的常用策略,即高效液相色谱法、亚硫酸盐测序法、甲基化敏感的限制性内切酶结合Southern杂交分析法和MSAP（methylation—sensitive amplified polymorphism）法进行了详尽的介绍和讨论。     

植物表观遗传与DNA甲基化

表观遗传在植物生长发育过程中起着极其重要的作用。甲基化是基因组DNA的一种主要表观遗传修饰形式,是调节基因功能的重要手段。介绍了植物体中胞嘧啶甲基化现象,RNA指导的DNA甲基化的信号分子、作用机制,以及与RNA介导的基因沉默机制之间的区别和RNA对转座子的表观控制。     

植物DNA甲基化及其表观遗传作用

表观遗传学(epigenetics)是研究没有DNA序列变化的、可遗传的基因表达的改变。目前研究表明,表观遗传学在植物生长发育过程中起着极其重要的作用,主要通过包括DNA甲基化、RNA干涉、基因组印记、转基因沉默等多个方面来调控植物的生长发育。其中,DNA甲基化是表观遗传学的最重要研究内容之一,是调节基因组功能的重要手段。现对植物DNA甲基化的特征、维持机制、调控机制、表观遗传作用及其研究方法进行简要论述。     

RNA:诱导基因沉默

在生物体中 ,双链RNA (double strandRNA ,dsRNA)裂解后的小RNA可以诱导细胞质和基因组水平外源基因沉默。所谓基因沉默 (genesilencing)是指生物体中特定基因由于种种原因不表达。小RNA能诱导互补信使RNA在转录后降解 ,对于植物 ,可通过同源DNA序列甲基化使转录基因沉默。RNA沉默是基因组水平的免疫现象 ,代表了进化过程中原始的基因组对抗外源基因序列表达的保护机制 ,在动植物进化中起着重要作用 ,RNA沉默具有抵抗病毒入侵、抑制转座子活动、防止自私基因序列的过量增殖等作用 ,并调控蛋白编码基因的表达 ,具有十分诱人的应用前景     

MPTP诱导的帕金森病小鼠模型黑质脑组织DNA甲基化研究

为研究DNA甲基化在帕金森病发病机制中的作用,本研究用环境毒素1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(MPTP)连续腹腔给药诱导小鼠帕金森病(Parkison's disease,PD)模型,应用ELISA检测小鼠黑质脑组织总体甲基化水平,应用实时荧光定量PCR方法检测DNA甲基转移酶表达水平,探讨MPTP诱导的小鼠PD模型黑质部位是否存在DNA甲基化异常.进一步应用甲基化DNA免疫共沉淀结合DNA甲基化芯片方法,构建MPTP诱导的小鼠PD模型黑质脑组织DNA甲基化谱,并寻找DNA甲基化修饰异常的PD相关基因对其进行验证.结果表明,模型组小鼠黑质脑组织DNA总体甲基化水平较对照组显著降低,Dnmt1的表达水平显著增高.利用DNA甲基化芯片在全基因组内筛选出甲基化差异修饰位点共48个,涉及44个基因,这些甲基化差异基因参与信号转导、分子转运、转录调控、发育、细胞分化、凋亡调控、氧化应激、蛋白质降解等生物学过程.在甲基化差异修饰基因中,对Uchl1基因及Arih2基因进行了甲基化水平以及表达水平的验证.结果表明,模型组小鼠黑质脑组织Uchl1启动子区域甲基化水平较对照组增高,m RNA及蛋白质表达水平降低,Arih2启动子区域甲基化水平较对照组降低,m RNA及蛋白质表达水平增高.实验结果进一步证实,DNA甲基化修饰异常在帕金森病发病机制中有重要作用,环境因素(如MPTP)可以通过改变DNA甲基化修饰参与帕金森病的发生发展.     

细胞核内RNA干扰途径研究进展

RNA干扰(RNAi)是双链RNA分子在mRNA水平关闭相应序列基因表达的过程。RNAi的分子机制及功能仍然有待深入研究与阐明,但已经在基因组结构与功能研究中得到广泛运用。我们简要综述RNAi的作用机制,及已发现的细胞核内干扰途径——RNA指导的DNA甲基化、异染色质、DNA切除和减数分裂性沉默等相关研究进展。     

表观遗传学研究的模式生物——粗糙脉孢菌

丝状真菌粗糙脉孢菌是一种作为遗传学研究的经典模式生物.通过对粗糙脉孢菌5S r RNA基因的组成和在染色体上分布的研究,揭示了丝状真菌中存在的一种基因组防御机制——重复序列诱导的DNA点突变(RIP).通过对发生突变的5S r RNA假基因的研究还发现,粗糙脉孢菌中存在一种重要的表观遗传修饰——DNA甲基化,随后的深入研究使粗糙脉孢菌成为解析DNA甲基化机制的最重要模式生物之一.粗糙脉孢菌基因转化操作引起的营养生长阶段同源基因的沉默(quelling)是由RNAi途径调控的,同时该途径也是调控减数分裂过程中非配对DNA诱发的基因沉默(meiotic silencing)的关键.由于粗糙脉孢菌基因组简单,且存在与高等真核生物相同的DNA甲基化和多种组蛋白的修饰,使其成为今后深入研究组蛋白修饰与染色质重塑等表观遗传现象参与基因表达调控和基因组稳定性维持的重要模式生物之一.     

拟南芥DNA去甲基化基因RLL4的定位与功能分析

该研究以携带2×35S:LUC报告基因的转基因拟南芥Col-LUC为亲本系,将其种子进行甲基磺酸乙酯(EMS)诱变,在M2代筛选出1株低荧光的候选突变体,命名为rll4(reduced LUC luminescence 4)。遗传学分析表明,rll4突变位点包含1个核基因隐性突变。图位克隆技术定位结果显示,突变基因的位点位于4号染色体2个分子标记CL417-B10M1和CL418-B2M2之间,这2个分子标记分别位于F20D10和F20M13BAC(bacterial artificial chromosome)克隆。酶切PCR(Chop-PCR)结果显示,rll4突变体中基因组DNA的部分位点甲基化显著升高。反转录PCR(RT-PCR)结果显示,rll4突变体中ROS1(REPRESSOR OF SILENCING 1)的表达量并没有明显变化,而一些RNA介导的DNA甲基化(RdDM)过程靶位点的基因表达量有明显下降。研究表明,RLL4位点很可能参与了拟南芥DNA去甲基化过程。     

TET蛋白质在动物原始生殖细胞发育过程中的作用

原始生殖细胞(primordial germ cell,PGC)是指能发育成精子或卵子的祖先细胞。PGC在向生殖细胞发育过程中会经历原有基因印记的去除、新印记的形成和维持,而DNA去甲基化是维持这一过程的主要机制。研究发现,TETs(ten-eleven translocations)蛋白质可以通过不同机制调控DNA去甲基化过程,在原始生殖细胞的形成和胚胎发育过程中发挥重要作用。该文综述了TET家族的结构、调控去甲基化的机制及其在动物原始生殖细胞发育过程中的作用。     

细菌RNA结合蛋白Hfq的DNA压缩和复制作用研究进展

RNA结合蛋白(RNA-Binding Protein)Hfq是一种重要的细菌转录后调节因子,之前对Hfq的研究大多集中在该蛋白对小分子非编码RNA (Small Non-Coding RNA,sRNA)和mRNA的作用上。Hfq最典型的功能是促进sRNA与其靶标mRNA碱基配对,在转录后介导对RNA的稳定性和翻译的调控。此外,Hfq也能与多种蛋白质直接或间接相互作用。然而,近年来的研究表明,除了RNA和蛋白质,Hfq还可以与DNA相互作用,在DNA压缩(DNA Compaction)和DNA复制(DNA Replication)等多种DNA代谢过程中发挥直接或间接的调控作用。额外的靶标和功能的鉴定将进一步夯实Hfq作为细菌中多种代谢途径核心调控因子的重要地位,也表明该蛋白的功能并不局限于其在RNA和蛋白质代谢中的作用。本文总结了Hfq在DNA代谢调控中的近几年最新研究进展,并展望了其前景。     

蛋白质精氨酸甲基化参与基因转录后调控的研究进展

蛋白质精氨酸甲基化是真核生物中一种广泛存在并在进化上保守的蛋白质翻译后修饰,由蛋白质精氨酸甲基转移酶(PRMT)催化完成。动物中的研究表明,PRMT通过催化多种RNA结合蛋白的精氨酸甲基化而参与调控细胞多种重要的生命过程,如RNA代谢、细胞增殖以及信号转导等。概述真核生物中精氨酸甲基化对不同的RNA结合蛋白的功能调控,并重点阐述该翻译后修饰在转录后加工过程中的重要作用;介绍高等植物拟南芥中蛋白质精氨酸甲基转移酶参与转录后调控的最新研究进展,并对精氨酸甲基化修饰参与调控植物RNA结合蛋白的功能及今后可能的研究方向进行讨论。     

植物中DNA甲基化及去甲基化研究进展

DNA甲基化及去甲基化是生物体调控基因表达的重要机制。在植物中,DNA甲基化的建立主要通过依赖于小RNA的甲基化途径来实现,最近的研究发现了DNA甲基化最初起始的新机制。DNA主动去甲基化由ROS1/DME家族介导并通过碱基切除修复的通路来实现。最新的研究发现了ROS1下游参与碱基切除修复的多个关键因子。更重要的是,越来越多的参与调控DNA主动去甲基化的特异性的因子及其作用机制被发现。现介绍植物体中DNA甲基化建立和维持的机制,并着重讨论植物体中DNA主动去甲基化方向的最新进展。     

植物免疫反应中的小RNA

植物中的小RNA参与多种生物学过程,依据其起源及前体结构的不同主要分为两类:微小RNA(miRNAs)和小干扰RNA(siRNAs),它们的长度通常为21~24个核苷酸,在生物合成途径以及作用机制等方面存在差异。病原物侵染植物后常通过诱导或抑制小RNA分子来调节抗病相关基因的表达,进而调控植物与病原物的互作反应。文章就小RNA的生物合成、作用途径及其在植物与病原物互作中的调控机制等方面进行了综述。     

RNA干扰研究进展

RNA干扰(RNA interference,RNAi)是指由双链RNA(double-strandedRNA,dsRNA)启动的序列特异的转录后基因沉默现象,广泛存在于真菌、植物和动物中。它是细胞内由双链RNA诱导降解与其配对的特定mRNA的过程。细胞内双链RNA在酶的作用下,形成20-25碱基大小的小干扰RNA(siRNAs),由siRNAs进一步掺入多组分核酸酶并使其激活,从而精确降解与siRNAs序列相同的mRNA,抑制该基因在细胞内的翻译表达。RNAi技术是近年来迅速发展起来的高效、特异、易操作的基因沉默技术。与反义寡核苷酸等传统方法相比,RNAi技术有着无可比拟的优势。本文就其近年的研究进展作一综述。     

DNA甲基化与基因表达调控研究进展

表观遗传修饰是指不改变DNA序列的、可遗传的对碱基和组蛋白的化学修饰,主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑以及非编码RNA等.表观遗传修饰是更高层次的基因表达调控手段.DNA甲基化是一种重要的表观遗传修饰,参与基因表达调控、基因印记、转座子沉默、X染色体失活以及癌症发生等重要生物学过程.近年来随着研究方法和技术的进步,全基因组DNA甲基化的研究广泛兴起,多个物种全基因组甲基化图谱被破译,全局水平对DNA甲基化的研究不仅利于在宏观层面上了解DNA甲基化的特性与规律,同时也为深入分析DNA甲基化的生物学功能与调控奠定了基础.结合最新研究进展综述DNA甲基化在基因组中的分布模式、规律以及和基因转录的关系等.     

内源小RNAs的生物合成及其在植物发育中的作用

在真核生物中,具有20-30个核苷酸的小RNAs能够在DNA或RNA水平上广泛调控复杂生理进程.介绍植物中3种主要内源小RNAs:microRNAs、trans-acting siRNAs和heterochromatic siRNAs的生物合成及其在植物发育中的作用.