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原生动物学团队在四膜虫中的新发现:独特的真核生物DNA N6-腺嘌呤甲基化酶AMT1

海洋生物多样性与进化研究所宋微波院士团队内高珊教授所领导的研究组以单细胞模式生物嗜热四膜虫为研究对象,新近揭示了真核生物一种独特的DNA N6-腺嘌呤甲基化酶(Adenine Methyltransferase 1, AMT1),并对其功能和作用机制进行了深入研究,成果发表在领域著名刊物《Nucleic Acids Research(核酸研究)》上。

DNA N6-腺嘌呤甲基化(6mA)作为一潜在的表观遗传标记,最近再度成为表观遗传学领域的研究热点。迄今的工作表明,不同物种中6mA的含量、分布及功能的差异巨大,体现出其在真核生物进化过程中的多样性和复杂性。其中,围绕6mA酶学系统的探讨,对于了解6mA的生物学功能及其在真核生物进化过程中的角色具有重要意义。

作为一种优秀的模式生物,四膜虫是最早报道含有6mA的真核生物之一。由于6mA是四膜虫基因组仅有的甲基化修饰,且含量明显高于其它大多数真核生物,使四膜虫成为研究真核生物6mA的理想体系。近年来,高珊教授研究组先后绘制了全球首份单碱基分辨率的四膜虫6mA全基因组分布图谱,揭示了四膜虫6mA的分布由序列特征(5’-AT-3’)和染色质环境(富集在占位稳定且含有H2A.Z的核小体的连接区,特异性分布在RNA转录酶II转录基因的5’端)共同决定,并由此提出6mA与基因转录、染色质重塑等同为染色质调控的重要组成这一学术新观点。上述研究还充分表明四膜虫6mA是由专门的甲基化酶催化形成的,而非一种随机非催化产物。这项成果于2017年发表在《核酸研究》上。  

1. 四膜虫6mA分布由序列特征和染色质环境共同决定(Wang et al., 2017, Nucleic Acids Research, 45, 11594-11606

此工作基础上,该研究组进一步鉴定出四膜虫的甲基化酶AMT1Adenine Methyltransferase 1),证实其属于甲基化酶MT-A70蛋白家族的一个独特分支。深入的研究发现:

1AMT1及其酶催化活性对于6mA甲基化及细胞生长至关重要AMT1是一专门催化对称6mA的甲基化酶,对其敲除将导致严重的生长发育缺陷;对酶活位点的特异突变也会造成生长发育的障碍;而在ΔAMT1细胞中重新引入AMT1基因可完全拯救上述表型。

2AMT1催化的6mA可塑造染色质环境并影响转录AMT1调控大量基因的表达,例如其可影响编码Rab家族GTP酶的RAB46基因,导致ΔAMT1细胞出现巨型伸缩泡;AMT1催化的6mA倾向聚集于基因区的5’端,这一分布模式与转录激活因子H3K4甲基化及H2A.Z十分相似;6mA的大幅减少导致核小体定位度大幅下降。

3AMT1属于甲基化酶MT-A70蛋白家族的一个独特分支AMT1及其同源蛋白主要分布在原生生物及早期分化真菌中,与高6mA含量、ApT特异序列、RNA聚合酶Pol II转录高度相关;与之形成对比的是,上述特征在动物、植物以及高等真菌中均缺失,这些物种中通常以另一个MT-A70蛋白家族METTL4的同源蛋白作为6mA甲基化酶。该研究显示,二者在功能上拮抗与互补的特点,可能是推动真核生物进化的不同驱动因素。

2. 甲基化酶AMT1特定催化形成对称甲基化并调控四膜虫的生长发育(Wang et al., 2019, Nucleic Acids Research, doi.org/10.1093/nar/gkz1053

研究该项研究的第一完成人为博士生王媛媛、盛亚岚和刘永强,通讯作者为高珊教授。项目先后得到国家自然科学基金优青项目(31522051)、国家青年万人计划项目以及山东省杰出青年基金(JQ201706的联合资助。论文网址:https://doi.org/10.1093/nar/gkz1053